基于FBG传感阵列的智能结构形态感知与主动监测研究

【摘要】伴随航空航航天事业的持持续发展和高高性能飞行器器研究的不断断深入，飞行行器结构安安全性监控控和可靠性观观测成为这一一领域亟待解解决的关键技技术问题。由由于高性能飞飞行器在结结构构成上上大量采用轻轻质材料，飞飞行过程中经经受气流、激激波和热障等等诸多扰动因因素作用，极易诱发发机体结构产产生强烈形变变和振动；同同时更加优化化的先进气动动布局追求，，使得机体体更趋流线线狭长且机翼翼越来越薄、导致飞行器器机体与机翼翼结构的柔性性和弹性不断断增强，进进而在高速速流场和推力力矢量作用下下加剧飞行器器产生结构变变形；因此飞飞行器结构监监控尤其是是结构形态态变化与振动动状况的有效效监控，在保保证高性能飞飞行器安全性性、可靠性、、稳定性和生存力上上起到至关重重要的作用。当前在高性性能飞行器结结构主动监控控研究领域，，基于智能能结构概念念实现结构形形变感知与监监测成为主要要研究热点，，其中基于分分布植入式光光纤光栅传传感网络的的智能表层结结构成为重要要研究方向，目标是实现现柔性结构形形变状态和低低频振动形形态的实时时感知与重构构，并通过临临场可视化技技术实现动态态表达和远场场主动监测。这一研究究不仅在航航空航天领域域，而且可进进一步拓展至至国防和民用用等其它众多多领域，体现现了重要的科学价值值、创新意义义和应用前景景。本文基于国国家自然科学学基金重大研研究计划科研研项目背景，，以一种模拟拟临近空间飞行器模模型结构为实实验对象，针针对结构形态态变化实时感感知与重构的的主动监测技技术要求，着重面向向离散分布植植入FBG感感知网络的框框架结构和翼翼面结构，深入入开展结构形形变状况和低频振动动形态的实时时感知、重构构与可视化表表达的关键技技术方法研究究，并在此基基础上进行行实验分析析与验证工作作。所涉及的的技术方法包包括：光纤光光栅机敏结构构形变感知技技术、实验验模型结构构动力学分析析方法、FBGG传感阵列复复用技术和优优化配置策略；结构离散散应变信息与离散曲曲率信息的转转化关系、基基于正交分布布传感曲率信信息的结构空空间三维形态态拟合重构方方法、临场场可视化动态态表达技术；光纤光栅传传感阵列设计计与制作、实实验模型结构构设计与构建，实验验平台构建和和测控系统开开发，并验证证相关方法技技术的可行性性和有效性。全文主要要内容可以以概括为动力力学分析与传传感阵列优化化设计、曲面面结构与空间间曲线结构形形态重构方方法与临场场可视化、实实验模型结构构设计与软件件环境开发，，以及实验平平台构建与实实验分析验验证等四个个部分。论文文所做主要研研究工作与贡贡献如下：（1）以附附加翼形的框框架模型结构构为实验对象象，将分布式式FBG传感阵阵列粘贴于于结构表面面，构建了一一种模拟临近近空间飞行器器的FBG实实验模型结构构，结合所开发发的智能结结构形态感知、重构与可视化监测环境和实验平台，形成了一套基于分布式光栅光纤智能结构的形态实时感知、重构与可视化主动监测实验系统。（2）针对实验模型对象进行结构动力学分析，结合有限元分析方法和手段，探索并确立FBG传感阵列优化布置准则，开展FBG机敏柔性结构正交分布式信息感知和光栅测点优化配置的研究。（3）分析了FBG传感阵列感知结构离散应变信息与离散曲率信息的转化关系；研究基于曲率信息的平面曲线拟合算法，分析并综合比较切角递推算法等相关拟合重构算法，同时对由特征微曲面片数据拼接的空间复杂曲面重构算法进行探索，为实验模型翼面结构的形态拟合重构确定基本方法。（4）深入研究基于正交分布式离散曲率信息的机敏柔性结构空间三维形态重建理论与方法，给出详细分析与推导过程；对离散曲率数据的连续化插值方法进行研究，实现结构形态变化离散曲率数据的连续化，从而实现结构表面连续曲率信息的获取；算法分析表明：基于FBG传感阵列感知曲率信息进行结构形态拟合重构是可行且有效的，为实验模型结构设计与实验过程实现提供了理论方法依据。（5）探索FBG智能结构实验模型设计与构建方案，分析和阐述模块化FBG机敏细长柔性线状曲率检测单元的设计方法、具体封装制作与标定技术、单元植入与封装方式，以及单元实验分析与验证等研究工作。（6）分析与制定实验平台构建、实验仪器选择和配置，以及实验分析与验证方案，基于VisualC++编程平台并结合OpenGL开发技术，开发了基于FBG传感阵列的实验模型结构形态实时感知、重构和可视化软件平台。（7）在完成实验模型结构和实验环境平台构建的基础上，针对研究工作所探索相关技术方法进行实验分析与验证。验证结果表明，基于FBG传感阵列实现结构形变状态和振动形态感知、重构与可视化主动监测是切实可行的，实时重构结构变化形态不仅效果生动逼真，而且比较精确地反映了结构形变状态和低频振动形态，完全达到了预期的研究目标与实现效果。
【作者】易金聪；
【导师】朱晓锦；
【作者基本信息】上海大学，控制理论与控制工程，2014，博士
【关键词】智能结构；FBG传感阵列；结构主动监测；形态感知和重构；现场可视化；

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