本文選題：智能柔板結構 + 正交FBG傳感網(wǎng)絡�。� 參考：《上海大學》2015年博士論文

【摘要】：大型板狀結構是廣泛應用于工業(yè)領域特別是航空航天領域的基礎部件,例如空間站的太陽能電池板、大展翼飛機的機翼、航天器大型相控陣雷達天線陣面等。上述板狀結構在航空航天器在軌運行狀態(tài)下,一般具有結構材料輕、面積大、剛度低、振動阻尼小、共振頻率低和模態(tài)密集等特點,且連續(xù)工作狀態(tài)下需要持續(xù)保證很高的運行精度,尤其是對保持結構外形有著極為苛刻的技術要求;然而,空間板狀結構的上述特性極易導致結構受到空間環(huán)境和激勵擾動后發(fā)生結構形態(tài)變化和大幅低頻振動,且使得常規(guī)的結構形態(tài)監(jiān)測方法難以適應上述技術要求,因此研究并采用一種新的形態(tài)實時監(jiān)測方法對結構可靠性保障和安全性維護至關重要。當前,基于分布式FBG(Fiber Bragg Grating)傳感網(wǎng)絡的智能表層結構是探索解決上述問題的一個重要研究方向,其基本思路是通過優(yōu)化布局的FBG傳感網(wǎng)絡獲取結構形態(tài)變化信息,然后基于結構形態(tài)擬合重構方法實現(xiàn)板狀結構的形態(tài)實時感知與重構,并通過臨場可視化技術實現(xiàn)動態(tài)表達和遠場監(jiān)測,因此相關技術方法探索和研究具有重要的科學價值、創(chuàng)新意義和應用前景。本文以國家自然科學基金項目為研究背景,以FBG智能柔性板狀結構為研究對象,針對結構形態(tài)變化的實時感知與重構技術的主動監(jiān)測要求,通過構建優(yōu)化的離散FBG傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)結構形態(tài)變化實時感知與可視化重構;在深入開展理論方法研究與實現(xiàn)技術探索的基礎上,構建實驗結構模型與實驗平臺,進行相關技術方法的實驗分析與驗證。所涉及的的理論方法和關鍵技術主要為:實驗結構模型的動力學分析、FBG傳感網(wǎng)絡配置及優(yōu)化布局方法;基于模態(tài)位移疊加的結構形態(tài)空間曲面重構方法,基于正交曲線網(wǎng)的結構形態(tài)空間曲面重構方法;結構形態(tài)重構效果評價、傳感器標定方法、結構形態(tài)重構可視化技術;FBG傳感網(wǎng)絡設計、實驗結構模型設計與制作、實驗平臺構建、監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件開發(fā)等。主要研究內容可以概括為基于結構形態(tài)空間曲面重構方法、FBG傳感網(wǎng)絡優(yōu)化布局與設計、重構效果與精度評價方法、實驗平臺構建及其軟硬件開發(fā)、實驗分析與驗證五個部分。論文所做主要研究工作和貢獻如下:(1)通過對FBG感知原理分析,獲得光柵波長測量數(shù)據(jù)與結構應變數(shù)據(jù)的轉換關系,實現(xiàn)了結構板面分布式離散正交應變信息的獲取;通過研究板狀結構離散測點應變與測點曲率的內在關系,實現(xiàn)了結構板面正交曲率信息的獲取;通過研究曲率數(shù)據(jù)插值處理方法,實現(xiàn)結構板面正交兩個方向曲率的連續(xù)化。基于上述研究內容及相關技術成果,構建了一套面向板狀結構分布式離散應變和曲率數(shù)據(jù)的信息采集與處理系統(tǒng)。(2)研究了基于模態(tài)位移疊加的結構形態(tài)空間曲面重構算法,著重研究板狀結構應變位移變換矩陣的求解方法;研究了基于正交曲線網(wǎng)的結構形態(tài)空間曲面重構算法,著重研究基于正交曲線網(wǎng)和運動坐標系的幾何遞推方法。分別針對上述兩種板狀結構形態(tài)重構方法及其算法進行仿真分析與驗證,從算法運算效率、結構形態(tài)靜態(tài)變化重構效果、結構形態(tài)動態(tài)變化重構效果進行定量分析,驗證了板狀結構形態(tài)重構算法的可行性和有效性,為板狀結構形態(tài)重構技術實現(xiàn)與實驗驗證提供了理論方法依據(jù)。(3)針對所構建實驗結構模型進行動力學分析,同時研究基于FBG感知原理的傳感器數(shù)量配置方法,并結合結構形態(tài)空間曲面重構算法的特點,探索并確立了傳感網(wǎng)絡優(yōu)化布局準則和約束條件,進而確定了FBG傳感網(wǎng)絡優(yōu)化布局的目標函數(shù);研究了粒子群優(yōu)化算法的基本原理和技術實現(xiàn)方法,探索針對傳感器配置數(shù)目、位置等方面的多目標優(yōu)化技術方法,為FBG傳感網(wǎng)絡設計和制作奠定了基礎。(4)研究了結構形態(tài)重構算法的重構效果靜態(tài)特性數(shù)據(jù)分析方法,著重研究基于均方差的綜合誤差評價方法和單點重構精度計算方法;研究了結構形態(tài)重構算法的重構效果動態(tài)特性,著重研究基于LMS算法的動態(tài)精度評價方法,通過構建FIR濾波器模型和求解通道模型參數(shù),獲得了重構信號在幅度衰減、相位延遲和噪聲摻雜三個方面的特性參數(shù),實驗結果表明相關方法具有精確的評價效果。(5)研究了FBG傳感器封裝與標定技術,實現(xiàn)了分布式FBG傳感網(wǎng)絡設計;設計和制作了實驗結構模型,研制了高精度自動測量系統(tǒng),開發(fā)了柔板結構形態(tài)實時重構可視化軟件系統(tǒng)。通過上述軟硬件設計開發(fā)和儀器設備集成,實現(xiàn)了高精度、高性能的實驗平臺構建,為所探索研究的相關理論方法實驗驗證提供了技術支撐。(6)針對所探索研究的相關理論方法和技術手段進行實驗驗證和分析工作。實驗結果表明,基于正交離散FBG傳感網(wǎng)絡的柔性板狀結構形態(tài)感知與重構方法切實可行,可精確實現(xiàn)結構靜態(tài)形態(tài)變化和低頻振動形態(tài)變化的實時感知與重構,且結構形態(tài)重構可視化效果生動逼真,達到了預期的研究目標。
[Abstract]:In this paper , a new method of real - time sensing and reconstruction based on distributed FBG sensor network is proposed , which is based on the research of structure form spatial surface reconstruction method , the design of FBG sensing network , the design of structure form , the construction of experimental platform , the design of experimental platform , the development of software and hardware , the experiment analysis and verification . ( 1 ) Based on the analysis of FBG sensing principle , the relationship between the measurement data of grating wavelength and the structure strain data is obtained . The method for reconstructing the shape of plate - like structure is studied . ( 5 ) The packaging and calibration technology of FBG sensor is studied , the design of the distributed FBG sensing network is realized , the experimental structure model is designed and fabricated , and the real - time reconstruction visualization software system of the flexible board structure is developed . The experimental results show that the real - time sensing and reconstruction of the structure static state change and the low - frequency vibration shape change can be accurately realized by the software and hardware design development and the instrument and equipment integration .

【學位授予單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V214
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本文編號：1874581