【摘要】：近年來,新型柔性充氣結構在航空航天領域應用越來越多,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。針對此類結構服役狀態(tài)的智能辨識,對于新型航空航天結構設計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構健康監(jiān)測需求,提出基于光纖傳感器的結構健康監(jiān)測技術,實現對典型柔性充氣結構的沖擊、損傷以及變形狀態(tài)實時監(jiān)測,提升結構服役期間的安全性和可靠性。本文主要研究內容包含以下幾個方面: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,并與基于電阻式應變片的應變監(jiān)測方法對比,分析了基于FBG傳感器的應變監(jiān)測方法的優(yōu)勢,為后續(xù)研究提供技術基礎。其次,以210D雙面涂覆牛津布四邊固支蒙皮充氣結構為研究對象,通過構建靜態(tài)加載和沖擊加載實驗,研究了不同內部氣壓下柔性充氣結構FBG傳感器的靜載應變響應特性,并對FBG傳感器沖擊響應信號進行分析,為柔性充氣結構沖擊載荷定位方法提供理論基礎。再次,針對柔性充氣結構沖擊載荷監(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傳感網絡系統,選取沖擊響應信號幅值能量作為特征量,提出了基于邊界數學函數模型和反函數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,研究了基于時差原理的沖擊載荷定位方法。然后,針對大型空間充氣結構特點,根據結構承載狀態(tài)下局部損傷區(qū)域應變突變原理,提出基于光纖傳感器的裂紋損傷監(jiān)測方法,實現了裂紋損傷區(qū)域定位以及裂紋損傷長度識別。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部氣壓監(jiān)測方法,建立了氣囊內部氣壓與囊體表面應變對應關系;其次通過獲取囊體表面關鍵區(qū)域離散點變形與氣囊內部氣壓對應關系,提出基于三次B樣條插值的柔性緩沖氣囊關鍵區(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構健康監(jiān)測研究背景結構健康監(jiān)測技術在 80 年代首次被提出應用于航空航天結構中，并迅速成為航空航天領域熱門研究課題[1]。結構健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring 簡稱 SHM）是指通過傳感網絡(光纖、壓電器件等)實時采集和分析反映結構健康狀態(tài)的物理量，，如溫度、位移、加速度、傳播特性和振動模態(tài)等[2]。獲取這些信息之后，采用先進信號處理方法對信息進行處理，可以提取反應結構狀態(tài)的特征參數，從而達到對結構的健康狀態(tài)、運行狀態(tài)、可靠性、耐久性和承載能力進行智能評估的目的，起到控制或消除結構損傷早期安全隱患進一步發(fā)展的作用。以此來實現結構工作狀態(tài)實時監(jiān)測，確保結構能夠安全使用，降低維修成本[3-5]。隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，航空航天結構越來越復雜，造價成本、發(fā)射成本越來越高。而航空航天結構在服役過程中所處的環(huán)境往往是高壓、真空、強輻射、超低溫和強磁場等惡劣環(huán)境，在服役過程中經常會遇到空間碎片、小流星撞擊等情況[6]。這些因素都會造成航空航天結構強度降低、壽命減少甚至結構失效。航空航天結構失效造成的事故如圖 1. 1 所示。因此實時對航空航天結構服役過程中的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性進行監(jiān)測并對結構健康狀態(tài)進行評估是非常有意義的。

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，大型復雜航天器結構越來越受青睞。因此柔性充氣結構在航天器結構中所在份額越來越大。由于多種類型復雜惡劣環(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]，柔性充氣結構可能會出現開裂、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的進行修補，在結構服役過程中，損傷將不斷積累，從而導致結構承載能力下降，進而影響了充氣結構的機械強度與長期服役安全，這勢必造成非常大的經濟損失，甚至出現人員傷亡等災難性的后果。因此必須對柔性充氣結構存在的諸如表面裂紋、內埋缺陷、受沖擊載荷撞擊位置及高應力集中區(qū)域等具有潛在危險性部位進行實時狀態(tài)監(jiān)測，及時掌握結構在荷載和外部因素作用下產生的變化，給出結構狀態(tài)信息[18]。1.2 國內外研究現狀1.2.1 基于光纖傳感器的結構健康監(jiān)測技術研究現狀自 20 世紀 70 年代以來，光纖傳感技術開始在全世界范圍內引起重視。隨著光纖傳感技術
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V267;V467;TP212

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本文編號：2618227