發(fā)布時(shí)間：2018-05-11 15:48

  本文選題：智能柔板結(jié)構(gòu) + 正交FBG傳感網(wǎng)絡(luò)　； 參考：《上海大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：大型板狀結(jié)構(gòu)是廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域特別是航空航天領(lǐng)域的基礎(chǔ)部件,例如空間站的太陽能電池板、大展翼飛機(jī)的機(jī)翼、航天器大型相控陣?yán)走_(dá)天線陣面等。上述板狀結(jié)構(gòu)在航空航天器在軌運(yùn)行狀態(tài)下,一般具有結(jié)構(gòu)材料輕、面積大、剛度低、振動(dòng)阻尼小、共振頻率低和模態(tài)密集等特點(diǎn),且連續(xù)工作狀態(tài)下需要持續(xù)保證很高的運(yùn)行精度,尤其是對(duì)保持結(jié)構(gòu)外形有著極為苛刻的技術(shù)要求;然而,空間板狀結(jié)構(gòu)的上述特性極易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到空間環(huán)境和激勵(lì)擾動(dòng)后發(fā)生結(jié)構(gòu)形態(tài)變化和大幅低頻振動(dòng),且使得常規(guī)的結(jié)構(gòu)形態(tài)監(jiān)測(cè)方法難以適應(yīng)上述技術(shù)要求,因此研究并采用一種新的形態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性保障和安全性維護(hù)至關(guān)重要。當(dāng)前,基于分布式FBG(Fiber Bragg Grating)傳感網(wǎng)絡(luò)的智能表層結(jié)構(gòu)是探索解決上述問題的一個(gè)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(luò)獲取結(jié)構(gòu)形態(tài)變化信息,然后基于結(jié)構(gòu)形態(tài)擬合重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)板狀結(jié)構(gòu)的形態(tài)實(shí)時(shí)感知與重構(gòu),并通過臨場(chǎng)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)表達(dá)和遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),因此相關(guān)技術(shù)方法探索和研究具有重要的科學(xué)價(jià)值、創(chuàng)新意義和應(yīng)用前景。本文以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目為研究背景,以FBG智能柔性板狀結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,針對(duì)結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的實(shí)時(shí)感知與重構(gòu)技術(shù)的主動(dòng)監(jiān)測(cè)要求,通過構(gòu)建優(yōu)化的離散FBG傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)變化實(shí)時(shí)感知與可視化重構(gòu);在深入開展理論方法研究與實(shí)現(xiàn)技術(shù)探索的基礎(chǔ)上,構(gòu)建實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型與實(shí)驗(yàn)平臺(tái),進(jìn)行相關(guān)技術(shù)方法的實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證。所涉及的的理論方法和關(guān)鍵技術(shù)主要為:實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力學(xué)分析、FBG傳感網(wǎng)絡(luò)配置及優(yōu)化布局方法;基于模態(tài)位移疊加的結(jié)構(gòu)形態(tài)空間曲面重構(gòu)方法,基于正交曲線網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形態(tài)空間曲面重構(gòu)方法;結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)效果評(píng)價(jià)、傳感器標(biāo)定方法、結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)可視化技術(shù);FBG傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)與制作、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件開發(fā)等。主要研究?jī)?nèi)容可以概括為基于結(jié)構(gòu)形態(tài)空間曲面重構(gòu)方法、FBG傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布局與設(shè)計(jì)、重構(gòu)效果與精度評(píng)價(jià)方法、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建及其軟硬件開發(fā)、實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證五個(gè)部分。論文所做主要研究工作和貢獻(xiàn)如下:(1)通過對(duì)FBG感知原理分析,獲得光柵波長(zhǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)板面分布式離散正交應(yīng)變信息的獲取;通過研究板狀結(jié)構(gòu)離散測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)曲率的內(nèi)在關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)板面正交兩個(gè)方向曲率的連續(xù)化。基于上述研究?jī)?nèi)容及相關(guān)技術(shù)成果,構(gòu)建了一套面向板狀結(jié)構(gòu)分布式離散應(yīng)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(jié)構(gòu)形態(tài)空間曲面重構(gòu)算法,著重研究板狀結(jié)構(gòu)應(yīng)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(jié)構(gòu)形態(tài)空間曲面重構(gòu)算法,著重研究基于正交曲線網(wǎng)和運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的幾何遞推方法。分別針對(duì)上述兩種板狀結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)方法及其算法進(jìn)行仿真分析與驗(yàn)證,從算法運(yùn)算效率、結(jié)構(gòu)形態(tài)靜態(tài)變化重構(gòu)效果、結(jié)構(gòu)形態(tài)動(dòng)態(tài)變化重構(gòu)效果進(jìn)行定量分析,驗(yàn)證了板狀結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)算法的可行性和有效性,為板狀結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了理論方法依據(jù)。(3)針對(duì)所構(gòu)建實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,同時(shí)研究基于FBG感知原理的傳感器數(shù)量配置方法,并結(jié)合結(jié)構(gòu)形態(tài)空間曲面重構(gòu)算法的特點(diǎn),探索并確立了傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布局準(zhǔn)則和約束條件,進(jìn)而確定了FBG傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化布局的目標(biāo)函數(shù);研究了粒子群優(yōu)化算法的基本原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法,探索針對(duì)傳感器配置數(shù)目、位置等方面的多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)方法,為FBG傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和制作奠定了基礎(chǔ)。(4)研究了結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)算法的重構(gòu)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(píng)價(jià)方法和單點(diǎn)重構(gòu)精度計(jì)算方法;研究了結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)算法的重構(gòu)效果動(dòng)態(tài)特性,著重研究基于LMS算法的動(dòng)態(tài)精度評(píng)價(jià)方法,通過構(gòu)建FIR濾波器模型和求解通道模型參數(shù),獲得了重構(gòu)信號(hào)在幅度衰減、相位延遲和噪聲摻雜三個(gè)方面的特性參數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相關(guān)方法具有精確的評(píng)價(jià)效果。(5)研究了FBG傳感器封裝與標(biāo)定技術(shù),實(shí)現(xiàn)了分布式FBG傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì);設(shè)計(jì)和制作了實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型,研制了高精度自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),開發(fā)了柔板結(jié)構(gòu)形態(tài)實(shí)時(shí)重構(gòu)可視化軟件系統(tǒng)。通過上述軟硬件設(shè)計(jì)開發(fā)和儀器設(shè)備集成,實(shí)現(xiàn)了高精度、高性能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建,為所探索研究的相關(guān)理論方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了技術(shù)支撐。(6)針對(duì)所探索研究的相關(guān)理論方法和技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析工作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于正交離散FBG傳感網(wǎng)絡(luò)的柔性板狀結(jié)構(gòu)形態(tài)感知與重構(gòu)方法切實(shí)可行,可精確實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜態(tài)形態(tài)變化和低頻振動(dòng)形態(tài)變化的實(shí)時(shí)感知與重構(gòu),且結(jié)構(gòu)形態(tài)重構(gòu)可視化效果生動(dòng)逼真,達(dá)到了預(yù)期的研究目標(biāo)。
[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(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V214
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本文編號(hào)：1874581