变体机翼分布式光纤应变监测技术及FBG传感器优化配置研究

论文摘要

光纤传感器由于具有质量轻、直径细、柔韧性好、耐腐蚀等属性，并且能够实现对位移、应力、温度等70多种物理量检测，可满足高精度、远距离、分布式和长期性技术要求，因此非常适用于实现对大型复杂航空结构健康状态的智能监测。光纤传感器被国内外的研究者们公认为最适合于构成智能材料结构中分布式监测网络的传感器类型。在不同飞行姿态及飞行条件下，可变体机翼智能结构及驱动器根据外部条件及控制指令，能够实现翼体自适应动态变形，表现出有良好的空气动力学性能。由于翼体结构应力场、温度场分布和作用形式复杂多样，及时获取这些结构信息对于准确评估和分析结构健康状态非常重要。因此需要对翼体结构在多物理场耦合条件下应变场分布及其变化规律进行研究，并实现对翼体结构应变场分布信息的有效监测。由于航空结构的关键部件形状、材料及承载形式存在差异，使得它们的应变场分布也有所不同，因此必须根据航空结构的形状和材料属性特点，研究光纤FBG传感器优化配置方法，包括传感器数量优化和传感器位置优化两个方面。开展FBG传感器优化配置方法研究对于提高光纤结构健康监测系统效率、可靠性和经济性具有重要意义。本文紧紧围绕变体机翼在多物理场耦合条件下的关键部位应变场监测及光纤FBG传感器优化配置方法开展研究，主要工作包括以下几方面：首先，介绍了本文研究背景，着重阐述了可变体机翼技术、基于光纤传感网络的航空结构健康监测技术及光纤光栅传感器优化配置等研究领域的国内外现状和意义。其次，开展了多物理场耦合条件下的可变翼体结构应变场数值模拟及基于光纤Bragg光栅传感网络的关键部位应变监测研究。采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合有限元分析软件对模型进行了应变场数值分析。通过构建分布式光纤Bragg光栅传感网络，实现了对结构关键部位应变分布及变化的有效监测。再次，研究了基于覆盖率最大规则的光纤FBG传感器优化配置方法。提出基于覆盖率最优的传感器优化配置模型及配置准则。在此基础上，分别采用不同智能算法(包括粒子群算法(PSO)、遗传算法、多粒子群进化算法、拟物力导向粒子群算法)对传感器优化配置效果进行仿真计算与评估。最后，根据典型航空结构形状和材料属性，开展了光纤FBG传感器优化配置验证研究。根据前面章节数值仿真计算，通过构建分布式光纤FBG应变监测系统，分别选择基于铝合金平板结构的方形和圆形监测区域，进行了传感器优化配置验证实验研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 可变体机翼技术研究现状
• 1.2.2 基于光纤传感网络的航空结构健康监测技术研究现状
• 1.2.3 传感器优化配置技术研究现状
• 1.3 本文研究目的及意义
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 可变翼体结构应变场数值模拟及多场耦合条件下分布式光纤应变监测系统研究
• 2.1 应力和温度场耦合理论分析
• 2.1.1 多物理场 COMSOL Multiphysics 仿真
• 2.1.2 应力和温度场耦合理论分析
• 2.2 光纤光栅基本理论及传感模型
• 2.2.1 光纤光栅传感器基本结构及传感原理
• 2.2.2 光纤光栅轴向应变传感模型
• 2.2.3 光纤光栅温度传感模型
• 2.3 可变体机翼模型及其多场耦合条件下光纤应变监测系统构建
• 2.3.1 可变体机翼模型描述
• 2.3.2 多场耦合条件下分布式光纤 FBG 应变监测系统构建
• 2.4 可变体机翼应变场仿真及关键部位应变监测研究
• 2.4.1 光纤光栅传感器应变及温度检测标定
• 2.4.2 不同加载下翼体桁条应变场仿真及关键部位应变监测研究
• 2.4.3 不同温度下翼体桁条应变场仿真及关键部位应变监测研究
• 2.4.4 不同载荷/温度场交叉耦合下翼体桁条应变场仿真及关键部位应变监测研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 光纤 FBG 传感器优化配置方法研究
• 3.1 FBG（FIBER BRAGG GRATING）传感器应变敏感特性研究
• 3.1.1 FBG 传感器静载条件下应变监测系统
• 3.1.2 FBG 传感器应变感知模型
• 3.2 基于覆盖率最优的传感器优化配置模型及配置准则
• 3.2.1 优化配置模型
• 3.2.2 传感器优化配置准则
• 3.3 优化算法简介
• 3.4 基于粒子群优化算法的传感器优化配置研究
• 3.4.1 粒子群算法发展历程
• 3.4.2 标准粒子群算法
• 3.4.3 标准粒子群算法在覆盖优化问题中基本流程
• 3.4.4 仿真参数设置
• 3.4.5 优化配置参数对覆盖性能影响分析
• 3.5 基于遗传算法的传感器优化配置研究
• 3.5.1 遗传算法原理
• 3.5.2 遗传算法仿真结果分析
• 3.6 基于标准粒子群改进算法的传感器优化配置研究
• 3.6.1 多粒子群进化算法原理
• 3.6.2 多粒子群覆盖优化问题中基本流程
• 3.6.3 仿真结果分析
• 3.7 基于拟物力导向粒子群算法的传感器优化配置研究
• 3.7.1 拟万有引力函数
• 3.7.2 拟物力导向粒子群算法原理
• 3.7.3 拟物力导向粒子群算法流程
• 3.7.4 拟物力导向粒子群仿真结果分析
• 3.8 本章小结
• 第四章 基于铝合金板状结构的光纤 FBG 传感器优化配置验证研究
• 4.1 方形监测区域传感器优化配置验证实验研究
• 4.1.1 方形监测区域传感器优化配置验证系统
• 4.1.2 实验结果及数据分析
• 4.2 圆形监测区域传感器优化配置实验研究
• 4.2.1 圆形监测区域传感器优化配置验证系统
• 4.2.2 实验结果及数据分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录