基于光纤传感器的柔性充气结构健康监测技术研究

【摘要】：近年来,新型柔性充气结构在航空航天领域应用越来越多,如大面积天线、高功率太阳能帆板、柔性气囊、大型空间居住舱等。针对此类结构服役状态的智能辨识,对于新型航空航天结构设计与高轨深空探测研究具有重要意义。为此,本文主要针对柔性充气结构健康监测需求,提出基于光纤传感器的结构健康监测技术,实现对典型柔性充气结构的冲击、损伤以及变形状态实时监测,提升结构服役期间的安全性和可靠性。本文主要研究内容包含以下几个方面:首先,针对210D双面涂覆牛津布和芳纶纤维布,提出基于FBG(Fiber Bragg grating)传感器的应变监测方法。研究了FBG传感器与柔性材料集成方式,并与基于电阻式应变片的应变监测方法对比,分析了基于FBG传感器的应变监测方法的优势,为后续研究提供技术基础。其次,以210D双面涂覆牛津布四边固支蒙皮充气结构为研究对象,通过构建静态加载和冲击加载实验,研究了不同内部气压下柔性充气结构FBG传感器的静载应变响应特性,并对FBG传感器冲击响应信号进行分析,为柔性充气结构冲击载荷定位方法提供理论基础。再次,针对柔性充气结构冲击载荷监测需求,研究了两种冲击载荷定位方法。第一种方法基于FBG传感网络系统,选取冲击响应信号幅值能量作为特征量,提出了基于边界数学函数模型和反函数求解的冲击定位方法。第二种方法利用光纤Sagnac干涉传感系统,研究了基于时差原理的冲击载荷定位方法。然后,针对大型空间充气结构特点,根据结构承载状态下局部损伤区域应变突变原理,提出基于光纤传感器的裂纹损伤监测方法,实现了裂纹损伤区域定位以及裂纹损伤长度识别。最后,以柔性缓冲气囊为研究对象,通过ANSYS有限元仿真分析,首先研究了缓冲气囊内部气压监测方法,建立了气囊内部气压与囊体表面应变对应关系;其次通过获取囊体表面关键区域离散点变形与气囊内部气压对应关系,提出基于三次B样条插值的柔性缓冲气囊关键区域变形监测方法。