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基于光纤传感系统的可变体机翼静动态特性研究

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基于光纤传感系统的可变体机翼静动态特性研究

作者：王晓钢南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着航空技术迅速发展,可变体机翼因其结构具有良好的空气动力学性能已成为研究热点。因为在飞行过程中需要及时了解其结构典型部位受力及其健康状况,所以对其进行应变场、温度场监测具有重大意义。而光纤Bragg光栅（FBG）除具有质量轻... 详细信息

随着航空技术迅速发展,可变体机翼因其结构具有良好的空气动力学性能已成为研究热点。因为在飞行过程中需要及时了解其结构典型部位受力及其健康状况,所以对其进行应变场、温度场监测具有重大意义。而光纤Bragg光栅（FBG）除具有质量轻、耐腐蚀、强抗电磁千扰、传感一体独特优点、使用安全可靠等外,还具有其独特的优点:尺寸较小、高灵敏度、易与光纤藕合、损耗小、集传感与传输于一体、易于采用波分复用等,可以在同一根光纤上布置许多传感点,构成分布式传感系统。本文采用分布式光纤Bragg光栅传感器对可变体机翼后缘模型进行应变场、温度场同时监测,得到相关所需数据,为基于光纤传感系统的可变体机翼结构静动态研究及健康监测提供有利参考与依据。本文首先概述了可变体机翼发展概况,分析采用光纤光栅传感器进行应力、温度场监测的优势;然后介绍光纤Bragg光栅传感器基本结构、温度增敏工作原理及应变、温度场同时监测性能特性;其次运用有限元分析软件***/Nastran对可变体机翼后缘模型进行建模分析,得到结构应力云图及变形图;再次开展了基于可变体机翼后缘结构光纤Bragg光栅网络排布形式研究;最后采用分布式光纤Bragg光栅传感网络实现对可变体机翼后缘模型静、动态力学性能测试,并将测试结果与有限元分析结果进行比较与分析。在动态分析过程中对可变翼段动态特性进行实验与研究,通过试验获得可变翼段固有频率,并与变翼段理论模态分析结果进行对比分析,结果显示一致性较好。通过本文的研究,掌握了可变翼翼体静、动态特性。同时本文运用有限元技术进行了有益尝试,具有一定学术与实际工程应用意义。

关键词：可变体机翼有限元分析光纤Bragg光栅传感器应变监测

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可变体机翼多物理场分布式光纤集成测试技术

航空科学技术 2011年第1期22卷 42-45页

作者：徐海伟曾捷张晓丽梁大开南京航空航天大学

介绍了可变体机翼技术和可变体机翼多物理场光纤集成测试技术的研究现状。

关键词：可变体机翼多物理场光纤测试

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基于CLPG的FBG监测系统及其应用

仪器仪表学报 2012年第7期33卷 1567-1572页

作者：邹红波孙水发吉培荣三峡大学电气与新能源学院宜昌443002 三峡大学智能视觉与图像信息研究所宜昌443002

为了实现可变体机翼的结构健康监测,提出了一种基于级联长周期光栅(cascaded long-period fiber grating,CLPG)的光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,FBG)监测系统。该监测系统以FBG为传感元件,以CLPG为边沿滤波器件,经CLPG调制后FBG反... 详细信息

为了实现可变体机翼的结构健康监测,提出了一种基于级联长周期光栅(cascaded long-period fiber grating,CLPG)的光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating,FBG)监测系统。该监测系统以FBG为传感元件,以CLPG为边沿滤波器件,经CLPG调制后FBG反射光功率会发生变化,通过对FBG谐振波长处光功率的探测,从而实现FBG传感信号的监测。监测系统具有结构简单、成本低、解调速度快等优点。利用该监测系统对某型可变体机翼进行结构健康监测,结果表明该监测系统的应变分辨率为2με,实验结果与有限元分析结果相符,最小误差仅为3.27%,表明该监测系统能够用于可变体机翼的结构健康监测。

关键词：级联长周期光栅光纤Bragg光栅可变体机翼结构健康监测

变体机翼分布式光纤应变监测技术及FBG传感器优化配置研究

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变体机翼分布式光纤应变监测技术及FBG传感器优化配置研究

作者：徐海伟南京航空航天大学

学位级别：硕士

光纤传感器由于具有质量轻、直径细、柔韧性好、耐腐蚀等属性，并且能够实现对位移、应力、温度等70多种物理量检测，可满足高精度、远距离、分布式和长期性技术要求，因此非常适用于实现对大型复杂航空结构健康状态的智能监测。光纤传... 详细信息

光纤传感器由于具有质量轻、直径细、柔韧性好、耐腐蚀等属性，并且能够实现对位移、应力、温度等70多种物理量检测，可满足高精度、远距离、分布式和长期性技术要求，因此非常适用于实现对大型复杂航空结构健康状态的智能监测。光纤传感器被国内外的研究者们公认为最适合于构成智能材料结构中分布式监测网络的传感器类型。在不同飞行姿态及飞行条件下，可变体机翼智能结构及驱动器根据外部条件及控制指令，能够实现翼体自适应动态变形，表现出有良好的空气动力学性能。由于翼体结构应力场、温度场分布和作用形式复杂多样，及时获取这些结构信息对于准确评估和分析结构健康状态非常重要。因此需要对翼体结构在多物理场耦合条件下应变场分布及其变化规律进行研究，并实现对翼体结构应变场分布信息的有效监测。由于航空结构的关键部件形状、材料及承载形式存在差异，使得它们的应变场分布也有所不同，因此必须根据航空结构的形状和材料属性特点，研究光纤FBG传感器优化配置方法，包括传感器数量优化和传感器位置优化两个方面。开展FBG传感器优化配置方法研究对于提高光纤结构健康监测系统效率、可靠性和经济性具有重要意义。本文紧紧围绕变体机翼在多物理场耦合条件下的关键部位应变场监测及光纤FBG传感器优化配置方法开展研究，主要工作包括以下几方面：首先，介绍了本文研究背景，着重阐述了可变体机翼技术、基于光纤传感网络的航空结构健康监测技术及光纤光栅传感器优化配置等研究领域的国内外现状和意义。其次，开展了多物理场耦合条件下的可变翼体结构应变场数值模拟及基于光纤Bragg光栅传感网络的关键部位应变监测研究。采用COMSOL Multiphysics多物理场耦合有限元分析软件对模型进行了应变场数值分析。通过构建分布式光纤Bragg光栅传感网络，实现了对结构关键部位应变分布及变化的有效监测。再次，研究了基于覆盖率最大规则的光纤FBG传感器优化配置方法。提出基于覆盖率最优的传感器优化配置模型及配置准则。在此基础上，分别采用不同智能算法（包括粒子群算法（PSO）、遗传算法、多粒子群进化算法、拟物力导向粒子群算法）对传感器优化配置效果进行仿真计算与评估。最后，根据典型航空结构形状和材料属性，开展了光纤FBG传感器优化配置验证研究。根据前面章节数值仿真计算，通过构建分布式光纤FBG应变监测系统，分别选择基于铝合金平板结构的方形和圆形监测区域，进行了传感器优化配置验证实验研究。

关键词：可变体机翼多场耦合数值模拟光纤Bragg光栅应变监测传感器优化配置粒子群算法

基于翼表温度测量的光纤Bragg光栅传感器研究

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压电与声光 2011年第5期33卷 717-720页

作者：王晓钢曾捷梁大开刘宏月徐海伟南京航空航天大学飞行器结构力学与控制教育部重点实验室江苏南京210016

根据可变体机翼翼表温度检测范围-60～+80℃的要求,提出了一种基于铝板片封装的光纤Bragg光栅(FBG)温度增敏传感装置。该装置采用耐高温环氧树脂胶将FBG粘贴在铝板片U槽中,并预热60℃、保持30min以保证FBG温度传感增敏装置线性和重复性... 详细信息

根据可变体机翼翼表温度检测范围-60～+80℃的要求,提出了一种基于铝板片封装的光纤Bragg光栅(FBG)温度增敏传感装置。该装置采用耐高温环氧树脂胶将FBG粘贴在铝板片U槽中,并预热60℃、保持30min以保证FBG温度传感增敏装置线性和重复性。研究及试验结果表明,在翼表工作环境温度范围内,该模型理论与实测温度灵敏度分别为28.16pm/℃和29.03pm/℃。与裸光栅相比,其增敏倍数分别为2.540倍和2.636倍,增敏倍数误差为3.78%,反射波长与温度的线性度达到0.999 3。因此,在翼体工作环境温度范围内尤其低温环境-60～0℃间,该温度增敏传感装置能满足检测所需精度。

关键词：光纤Bragg光栅(FBG) 可变体机翼封装方法温度测试