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光纤Bragg光栅在智能材料结构健康监测中的应用研究

陆观  
【摘要】:光纤Bragg光栅的多种优点使得其在智能材料结构的健康监测研究领域中有着广阔的应用前景。本文将光纤Bragg光栅应用于智能材料结构健康监测中。在研究了复合材料结构动态信号的采集方法、信号特征提取、冲击载荷定位及能量等级判定算法之后,建立了一个有冲击载荷定位及能量等级判定功能的光纤智能材料结构系统,并对基于光纤Bragg光栅传感器的飞机机翼油箱表面变截面复合材料碳纤维层合板的动态信号健康监测系统进行了初步研究。 本文的主要研究内容有以下几个方面: (1)对光纤Bragg光栅的应变以及温度传感模型进行了进一步的实验研究,得出了光栅中心波长偏移值与应变值成线性关系的分析结果。并对光纤Bragg光栅光谱进行仿真,给出了栅长选择的基本依据。要提高光纤Bragg光栅的反射率波峰,可通过提高折射率调制的深度以及增长栅长来实现。但实际设计光栅的过程中要综合考虑多种参数,因此在综合考虑后给出了本文试验所用的光纤Bragg光栅栅长。 (2)对基于经验模态分解及自回归模型的特征参数提取方法进行分析,得到不同冲击位置及能量等级对应的动态信号特征。把提取到的特征参数作为样本,利用自回归模型对样本信息建立样本模型,进行复合材料层合板的冲击载荷定位及能量等级判定算法研究。提出了一种新的冲击载荷定位及能量等级判定方法,在理论上及工程应用中均验证了此冲击载荷监测定位及能量等级判定方法的可行性。 (3)利用光纤Bragg光栅的应变敏感特征,基于光纤Bragg光栅智能结构动态信号监测,对复合材料层合板的振动、冲击响应信号进行了监控,并构建了基于光纤Bragg光栅传感网络的复合材料结构冲击载荷定位及能量等级判定监测系统。利用光纤Bragg光栅传感器构成分布式光纤传感网络来对复合材料结构的复杂应变场进行监测。并结合损伤失效判据进一步对复合材料层合板高速冲击损伤进行了分析,利用提出的冲击载荷能量等级判定方法准确判定了冲击损伤的能量等级。 (4)结合飞机机翼油箱的有限元分析,构建了基于光纤Bragg光栅的飞机机翼油箱振动、冲击健康监测系统。利用光纤Bragg光栅传感器构成分布式光纤传感网络来对飞机油箱表面变截面复合材料板的复杂应变场进行监测。因为光纤Bragg光栅中心波长的变化对应于飞机油箱表面变截面复合材料板外界及内部参数的变化,使得整个结构的动态监测得以实现,并结合冲击载荷定位及能量等级判定算法进一步实现了飞机油箱表面变截面复合材料板的冲击载荷定位与能量等级判定。


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