空间伸展结构变形与振动分布式光纤监测研究

作     者：何凯 曾捷 林秋红 龚晓静 康健 He Kai;Zeng Jie;Lin Qiuhong;Gong Xiaojing;Kang Jian

作者机构：南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016 中国空间技术研究院总体部北京100094 法国图卢兹大学法国国家科学研究中心Clement ADER航空结构实验室(UMR CNRS 5312)图卢兹31000 

出 版 物：《仪器仪表学报》 (Chinese Journal of Scientific Instrument)

年 卷 期：2018年第39卷第2期

页      面：56-65页

核心收录：

学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家自然科学基金-联合基金(U1537102) 航空科学基金(20152852036) 上海航天科技创新基金(SAST2015062) 中央高校基本科研业务费专项资金(NS2016004) 机械结构力学及控制国家重点实验室开放课题(MCMS-0516K01) 江苏高校优势学科建设工程基金(PAPD)项目资助 

主　　题：柔性复合材料伸展结构 光纤传感器 形态反演算法 变形监测 振动监测 

摘      要：空间伸展结构是一种最基本的可展开折叠单元,广泛应用于大型展开天线、太阳帆板以及空间机械臂等航天领域,针对此类结构服役状态的智能辨识对于目前开展高轨深空探测研究具有重要意义。为此,提出一种基于准分布式光纤传感器的空间伸展结构变形与振动实时监测技术。借助***/Nastran有限元分析方法,数值模拟得到碳纤维复合材料柔性空间伸展结构在不同载荷作用下的应变、位移响应规律以及振动模态特征。分别研究了基于曲率和弧长信息曲线重构的结构变形反演算法,光纤光栅中心波长偏移量与振动特征关系解析模型,计算得到空间伸展结构沿展开方向不同位置的坐标信息。在此基础上,通过在柔性复合材料伸展结构展向布设离散光纤光栅传感器,实时采集应变分布与变化信息,进而推导相应位置曲率特征,实现不同加载模式下的伸展结构形态重构,变形反演相对误差约为2.5%。此外,借助准分布式光纤传感器不仅可以得到伸展结构对应的变形实时响应曲线,同时还能够获取其前三阶固有模态和振型特征,所测频率与仿真结果吻合度较好,平均误差约为0.67%。研究结果表明,所提方法具有非视觉测量、实时性好以及多种功能复用等优点,能够为未来及时准确获取空间伸展结构姿态,实现空间形态自适应调节与在轨振动主动控制提供有力保障。