[发明专利]一种结构变形光纤监测与重构方法及系统

说明书

一种结构变形光纤监测与重构方法及系统，根据结构的有限元仿真结果提取应变、变形数据，基于最小二乘法的思想拟合若干条线上的应变‑变形函数关系，在通过插值得到结构整体初变形场。搭建光纤监测系统，采集结构应变、温度、加速度数据，通过实验测得的离散点数据，利用差值算法重构应变序列，修正应变‑变形函数关系，进而修正结构整体变形场。光纤监测系统与重构方法在铝合金矩形板变形重构实验中得到了验证，利用光栅监测系统与重构方法能够有效得到被测试件变形状态，变形场重构为2％左右，较有限元仿真误差大幅降低。

技术领域

本发明涉及一种结构变形光纤监测与重构方法及系统，属于气体流量测试技术领域。

背景技术

随着航天器的发展，航天器结构的健康状态越来越受到关注，关键结构的变形，轻则影响载荷和系统的指标性能，重则引起结构的损伤和系统功能的丧失，甚至人员的安全，迫切的需要获取结构变形状态来及时评估结构健康状态。由于航天器使用环境的特殊性以及结构变形状态的复杂性，基于光学成像的非接触式变形监测技术受到光路布置与形体振动的影响，使得非接触式测量的变形监测技术在在轨飞行器的应用中受到限制，因此必须采用接触式测量技术。相比于传统的应变片式传感器测量技术，光纤布拉格光栅 (FBG)传感器由于能进行多参量(温度，应变，加速度等)、分布式测量，测量精度更高，稳定性更好。但是，接触式测量缺点同样明显，该方式一般只能得到点数据。现有解决方式精度和适用性无法满足航天器严苛的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，本发明提出一种利用光纤光栅监测结构的温度、振动、应变，基于有限监测数据、结构材料的变形协调关系及数值算法构造结构变形的方法，实现结构服役状态下变形重构，解决了现有技术测量精度不足、无法适应在轨飞行器工作环境、被测量与变形量无法准确建立联系等问题。

本发明解决的技术方案为：一种结构变形光纤监测与重构方法，步骤如下：

(1)通过光纤监测网络获取结构上有限个测量点的光纤监测数据，修正监测数据精度，并对修正后的监测数据特征进行提取；

(2)按照结构实际工况建立结构的有限元模型，根据步骤(1)有限个测量点的数据特征，拟合出若干条线上的应变数据源和结构变形的函数关系，再利用插值算法将若干条线上的函数关系转换为整个结构的变形场；

(3)通过光纤光栅监测手段，得到结构测点应变数据，利用插值算法重构步骤(2)中的若干条线上的应变-变形函数关系，再利用插值算法得到修正后的变形场。

(4)根据结构的变形场，确定结构的变形量，从而进行结构重构。

步骤(1)通过光纤监测网络获取结构上有限个测量点的光纤监测数据，步骤如下：

(1.1)建立光纤监测网络，确定测量点的位置、数量和测量量，测量量即光纤监测数据，包括：温度、振动、应变数据，根据测试环境、传感器特性参数等影响因素修正监测数据精度；

(1.2)对监测数据特征提取具体如下：

(1.2.1)对于温度数据，数据特征用最大值、平均值、最小值以及监测点间温度梯度描述，直接从所得数据中提取上述值作为特征值；

(1.2.2)对于振动数据，数据特征用振动加速度峰值、有效值、频率描述，直接从数据中提取峰值、有效值，利用所得数据自功率谱提取数据频率作为特征值；

(1.2.3)对于应变数据，数据特征用平面主应变值描述，根据所得监测点应变利用平面应变关系，得到平面主应变值作为特征值。

(1.3)光纤监测网络监测点布置方法如下：

(1.3.1)对于单向应变结构，沿结构方向布置测点，测点数量不少于6 个；

(1.3.2)对于平面应变结构，沿温度梯度布置测点，测点数量不少于6 个。