【摘要】：近年來,新型柔性充氣結(jié)構(gòu)在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用越來越多,如大面積天線、高功率太陽能帆板、柔性氣囊、大型空間居住艙等。針對此類結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)的智能辨識(shí),對于新型航空航天結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與高軌深空探測研究具有重要意義。為此,本文主要針對柔性充氣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需求,提出基于光纖傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù),實(shí)現(xiàn)對典型柔性充氣結(jié)構(gòu)的沖擊、損傷以及變形狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測,提升結(jié)構(gòu)服役期間的安全性和可靠性。本文主要研究內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面:首先,針對210D雙面涂覆牛津布和芳綸纖維布,提出基于FBG(Fiber Bragg grating)傳感器的應(yīng)變監(jiān)測方法。研究了FBG傳感器與柔性材料集成方式,并與基于電阻式應(yīng)變片的應(yīng)變監(jiān)測方法對比,分析了基于FBG傳感器的應(yīng)變監(jiān)測方法的優(yōu)勢,為后續(xù)研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。其次,以210D雙面涂覆牛津布四邊固支蒙皮充氣結(jié)構(gòu)為研究對象,通過構(gòu)建靜態(tài)加載和沖擊加載實(shí)驗(yàn),研究了不同內(nèi)部氣壓下柔性充氣結(jié)構(gòu)FBG傳感器的靜載應(yīng)變響應(yīng)特性,并對FBG傳感器沖擊響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析,為柔性充氣結(jié)構(gòu)沖擊載荷定位方法提供理論基礎(chǔ)。再次,針對柔性充氣結(jié)構(gòu)沖擊載荷監(jiān)測需求,研究了兩種沖擊載荷定位方法。第一種方法基于FBG傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),選取沖擊響應(yīng)信號(hào)幅值能量作為特征量,提出了基于邊界數(shù)學(xué)函數(shù)模型和反函數(shù)求解的沖擊定位方法。第二種方法利用光纖Sagnac干涉?zhèn)鞲邢到y(tǒng),研究了基于時(shí)差原理的沖擊載荷定位方法。然后,針對大型空間充氣結(jié)構(gòu)特點(diǎn),根據(jù)結(jié)構(gòu)承載狀態(tài)下局部損傷區(qū)域應(yīng)變突變原理,提出基于光纖傳感器的裂紋損傷監(jiān)測方法,實(shí)現(xiàn)了裂紋損傷區(qū)域定位以及裂紋損傷長度識(shí)別。最后,以柔性緩沖氣囊為研究對象,通過ANSYS有限元仿真分析,首先研究了緩沖氣囊內(nèi)部氣壓監(jiān)測方法,建立了氣囊內(nèi)部氣壓與囊體表面應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系;其次通過獲取囊體表面關(guān)鍵區(qū)域離散點(diǎn)變形與氣囊內(nèi)部氣壓對應(yīng)關(guān)系,提出基于三次B樣條插值的柔性緩沖氣囊關(guān)鍵區(qū)域變形監(jiān)測方法。
【圖文】：

1.1.1 基于光纖傳感器的航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究背景結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在 80 年代首次被提出應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)中，并迅速成為航空航天領(lǐng)域熱門研究課題[1]。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring 簡稱 SHM）是指通過傳感網(wǎng)絡(luò)(光纖、壓電器件等)實(shí)時(shí)采集和分析反映結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的物理量，，如溫度、位移、加速度、傳播特性和振動(dòng)模態(tài)等[2]。獲取這些信息之后，采用先進(jìn)信號(hào)處理方法對信息進(jìn)行處理，可以提取反應(yīng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征參數(shù)，從而達(dá)到對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、可靠性、耐久性和承載能力進(jìn)行智能評(píng)估的目的，起到控制或消除結(jié)構(gòu)損傷早期安全隱患進(jìn)一步發(fā)展的作用。以此來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保結(jié)構(gòu)能夠安全使用，降低維修成本[3-5]。隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航空航天結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，造價(jià)成本、發(fā)射成本越來越高。而航空航天結(jié)構(gòu)在服役過程中所處的環(huán)境往往是高壓、真空、強(qiáng)輻射、超低溫和強(qiáng)磁場等惡劣環(huán)境，在服役過程中經(jīng)常會(huì)遇到空間碎片、小流星撞擊等情況[6]。這些因素都會(huì)造成航空航天結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低、壽命減少甚至結(jié)構(gòu)失效。航空航天結(jié)構(gòu)失效造成的事故如圖 1. 1 所示。因此實(shí)時(shí)對航空航天結(jié)構(gòu)服役過程中的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測并對結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估是非常有意義的。

圖 1. 2 充氣式空間站和充氣式反射面天線隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，大型復(fù)雜航天器結(jié)構(gòu)越來越受青睞。因此柔性充氣結(jié)構(gòu)在航天器結(jié)構(gòu)中所在份額越來越大。由于多種類型復(fù)雜惡劣環(huán)境因素的影響，如極端交變溫度載荷、太陽、深空環(huán)境較強(qiáng)高能粒子輻射以及空間碎片和微流星撞擊等[17]，柔性充氣結(jié)構(gòu)可能會(huì)出現(xiàn)開裂、通孔、基體擠壓、纖維斷裂、分層失效及薄膜褶皺等損傷。這些損傷如果不能被檢測出來并及時(shí)的進(jìn)行修補(bǔ)，在結(jié)構(gòu)服役過程中，損傷將不斷積累，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力下降，進(jìn)而影響了充氣結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度與長期服役安全，這勢必造成非常大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至出現(xiàn)人員傷亡等災(zāi)難性的后果。因此必須對柔性充氣結(jié)構(gòu)存在的諸如表面裂紋、內(nèi)埋缺陷、受沖擊載荷撞擊位置及高應(yīng)力集中區(qū)域等具有潛在危險(xiǎn)性部位進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)在荷載和外部因素作用下產(chǎn)生的變化，給出結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息[18]。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 基于光纖傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀自 20 世紀(jì) 70 年代以來，光纖傳感技術(shù)開始在全世界范圍內(nèi)引起重視。隨著光纖傳感技術(shù)
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V267;V467;TP212

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本文編號(hào)：2618227