FBG传感器优化配置在复合材料结构损伤检测中的研究

摘要

目前通常采用胶接技术和工艺将航天器机体防护用复合材料粘贴在基体上，粘接胶层在制造和服役过程中的缺陷和损伤不可避免，因此采用准确、可靠的传感技术对复合材料结构及胶接质量进行健康监测尤为重要。光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器以其优良的检测优势广泛应用于航空航天领域的结构健康监测中。目前FBG传感器网络应用于复合材料结构胶层缺陷/损伤监测是一种新的胶层结构健康监测手段，埋入胶层后FBG传感器自身应变传递特性和敏感范围还有待深入的实验探索，FBG传感器网络仍缺少结合被测结构性能和FBG传感器本身结构特点的优化配置方法，因此本文基于FBG传感原理，针对复合材料胶层缺陷检测问题展开深入研究。　　首先，本文针对具有多孔性、各向异性、导热系数低、强吸声性等特点航空用热防护材料胶接质量问题展开研究分析，提出了一种基于FBG应变监测的航天器机体防护材料结构胶层缺陷/损伤检测的方法，将FBG传感器埋入复合材料粘接胶层内部，构成分布式传感网络来实现高精度缺陷检测的目的。搭建实验平台，对复合材料胶层埋入FBG传感器进行静载实验研究，得到在外界载荷作用下，FBG传感器的传感特性。　　其次，根据被测结构和材料特性，对FBG传感器的应变传递特性和敏感范围进行研究，建立FBG传感器复合材料胶层的感知模型。采用建模分析与实验验证相结合的手段建立 FBG传感器应变感知模型。基于 FBG应变感知模型，采用智能优化算法对传感器的数量和布局进行优化配置，研究高性能、高可靠性的分布式FBG结构应变监测网络的构建方法。重点基于覆盖率最优配置准则采用粒子群优化算法进行FBG传感网络的优化布置，并对粒子群算法进行改进，传感网络的优化布置方法符合FBG传感器结构特点。　　最后，根据FBG传感器网络布置优化结果搭建应变监测实验平台，开展了方形监测区域 FBG传感器优化配置覆盖率验证实验和 FBG传感器网络模拟缺陷检测实验，并结合有限元仿真结果实现缺陷检测效果评估实验，对复合材料胶层FBG传感器网络缺陷检测进行了初步的探索，为后续的FBG应变传感模型用于结构损伤识别的研究奠定基础。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 光纤光栅在航空航天领域的研究现状

1.3 FBG传感器的优化配置技术的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 FBG传感网络检测方案研究

2.1 FBG传感网络基本原理

2.2传感器应变感知模型理论

2.3 FBG传感器应变检测有限元分析

2.4 本章小结

第3章 复合材料结构应变检测实验

3.1 检测系统的组成

3.2 FBG传感特性研究实验

3.3 FBG传感器敏感模型探究实验

3.4 本章小结

第4章 FBG传感器优化配置方法研究

4.1传感器优化模型及配置准则

4.2优化算法简介

4.3传感网络的粒子群算法优化配置研究

4.4基于萤火虫算法的传感器优化配置

4.5 本章小结

第5章 复合材料胶层FBG传感器优化配置验证研究

5.1 传感器网络优化配置

5.2 传感器网络缺陷检测实验

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢