【摘要】：薄壁結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等行業(yè),如飛機機翼、衛(wèi)星太陽能板、艦船甲板、火箭推進器殼體等均為薄壁結(jié)構(gòu)件,其變形檢測技術(shù)是各類高端機械裝備結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與故障診斷的關(guān)鍵技術(shù)之一,具有廣泛的工程應(yīng)用前景。目前,基于光纖光柵傳感技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變檢測與變形重構(gòu)是該領(lǐng)域重要的研究方向之一。針對薄壁結(jié)構(gòu)件形態(tài)變化實時感知與重構(gòu)的技術(shù)要求,本文首先設(shè)計了一種光纖光柵應(yīng)變增敏傳感器應(yīng)用于薄壁結(jié)構(gòu)件變形時的應(yīng)變檢測;然后,建立了基于分布應(yīng)變信息的薄壁結(jié)構(gòu)件變形重構(gòu)算法;最終,構(gòu)建了基于應(yīng)變-變形的薄壁結(jié)構(gòu)件變形檢測系統(tǒng)。論文所做的主要研究工作與貢獻如下:(1)針對傳統(tǒng)光纖光柵應(yīng)變傳感器難以滿足薄壁結(jié)構(gòu)件變形重構(gòu)對應(yīng)變測量精度的高要求,通過對光纖光柵應(yīng)變傳遞原理的分析,設(shè)計了一種基于杠桿結(jié)構(gòu)增敏原理的光纖光柵應(yīng)變傳感器。結(jié)合理論與實驗,對該傳感器的傳感特性進行研究,結(jié)果表明該傳感器的應(yīng)變靈敏度是傳統(tǒng)直接粘貼式光纖光柵應(yīng)變傳感器的5~6倍,其應(yīng)變測量精度與穩(wěn)定性遠高于裸光纖光柵,能夠滿足薄壁結(jié)構(gòu)件變形過程中的應(yīng)變檢測要求。(2)針對薄壁結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點與變形特征,結(jié)合彈性力學(xué)理論與有限元分析方法,建立了薄壁結(jié)構(gòu)件應(yīng)變與變形之間的映射關(guān)系,實現(xiàn)了分布應(yīng)變到薄壁結(jié)構(gòu)件連續(xù)曲率信息的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化;分析并改進了切角遞推算法,并將其擴展為二維曲率遞推算法,從而利用連續(xù)曲率信息構(gòu)建薄壁結(jié)構(gòu)件變形狀態(tài)。通過仿真對比分析證明了該算法在薄壁結(jié)構(gòu)件變形檢測上的有效性。(3)搭建了薄壁結(jié)構(gòu)件變形檢測實驗平臺,通過分布布置改進的光纖光柵應(yīng)變增敏傳感器,對薄壁結(jié)構(gòu)件不同位置的二維應(yīng)變信息進行檢測,繼而利用推導(dǎo)的二維曲率遞推算法對薄壁結(jié)構(gòu)件進行變形重構(gòu)。利用激光位移傳感器與有限元仿真對重構(gòu)算法的有效性進行驗證。結(jié)果表明,二維曲率遞推算法能夠準確的重構(gòu)薄壁結(jié)構(gòu)件的變形,最大誤差不超過6%�；诠饫w光柵分布傳感的薄壁結(jié)構(gòu)件應(yīng)變檢測與變形重構(gòu)技術(shù)具有良好的工程應(yīng)用價值。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN253;TP212
【圖文】：

圖 1-1 基于曲面片算法的薄板變形重構(gòu)[24]機翼等薄壁結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)健康與變形檢測外，法在其他方面也有一定的應(yīng)用。Mieloszyk M 等力發(fā)電機結(jié)構(gòu)健康的應(yīng)用，將光纖光柵粘貼于的應(yīng)變分布，實現(xiàn)對其變形與健康狀況的監(jiān)測置在碳纖維框架上，并將該變形檢測框架應(yīng)用法通過實驗得到了有效的驗證[28]。國內(nèi)外眾多高校和相關(guān)研究機構(gòu)對各類結(jié)構(gòu)的，然而傳統(tǒng)的電類傳感器與光學(xué)傳感器變形檢壁結(jié)構(gòu)件變形檢測。而利用光纖光柵對結(jié)構(gòu)變優(yōu)點，但目前對于梁結(jié)構(gòu)和近似梁結(jié)構(gòu)的重構(gòu)壁結(jié)構(gòu)件的變形重構(gòu)研究較少，且重構(gòu)算法復(fù)結(jié)構(gòu)的形態(tài)進行描述，難以應(yīng)用于非地面動態(tài)基于光纖光柵傳感技術(shù)的薄壁結(jié)構(gòu)件變形重構(gòu)

39]-[40]。Liang Ren 等提出了一種光纖光柵管式兩邊固定支架以及管式結(jié)構(gòu)的變直徑設(shè)計形劑對光柵柵區(qū)應(yīng)變傳遞的影響；應(yīng)用該理論設(shè)敏度為 1.996pm/με，并將該傳感器應(yīng)用于大壩固定支架夾持管LLfLg光纖光柵圖 1-3 管式光纖光柵增敏原理與結(jié)構(gòu)[41]示，LI 等利用同樣的方法設(shè)計了應(yīng)變增敏效(2.52pm/με)；并將其應(yīng)用于公路橋梁上的長梁橋箱梁上的 24 個應(yīng)變傳感器與 6 個溫度系[42]。

(c)圖 1-5 MOI 商用基片式應(yīng)變傳感器 (a)膠粘式 (b)焊接式 (c)溫度補償Guo 等人通過柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種能夠增敏應(yīng)變的光纖光柵傳感器本結(jié)構(gòu)與原理如圖 1-6 所示，將 L 段內(nèi)的應(yīng)變通過柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)集中于 L提高光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測靈敏度。由實驗結(jié)果可知其應(yīng)變靈敏度可以達357pm/με，且具有良好的線性度與重復(fù)性，然而其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以進行大批產(chǎn)[44]。粘接劑 光纖光柵 彈性鉸鏈光纖尾纖LFL圖 1-6 鉸鏈式應(yīng)變增敏結(jié)構(gòu)

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本文編號：2748100