[发明专利]面向柔性薄板结构载荷分布监测的光纤层析成像方法

说明书

本发明涉及一种将分布式光纤传感器与层析成像技术引入柔性薄板结构载荷分布监测，属于结构健康监测领域。它包括以下步骤，步骤一：采用场论方法描述柔性薄板结构弯曲力学模型；步骤二、构建与Radon变换为数学基础的层析成像方法相匹配的力学模型；步骤三：传感器由0°/90°相互正交的两个光纤光栅组成。根据传感器所测应变，计算传感器所在位置挠度的空间二阶导数。任意两空间二阶导数差值即为剪力场的Radon变换。步骤四：根据生成扫描线最多、覆盖被监测区域最广原则，构建传感器观测矩阵。步骤五：根据步骤三所得剪力场Radon变换，采用Radon逆变换重构剪力场；步骤六：求解剪力场的散度即为柔性薄板结构的载荷分布。

技术领域

本发明属于结构健康监测的领域，具体提出了一种面向柔性薄板结构载荷分布监测的光纤层析成像方法。

背景技术

载荷分布测量作为飞行器气动力研究中的一项重要实验，其目的是测量飞行器各部件，如机翼、尾翼、外挂物等表面载荷分布与变化趋势，为研究飞行器各部件的性能及其表面流动特性提供数据，同时也为飞行器及其各部件的结构强度计算提供气动载荷分布数据。

机翼是决定飞机整体性能的主要部件之一。机翼载荷分布测量方法有：直接测量法和间接测量法。直接方法是指压力测量法，就是通过直接测量结构表面的压力分布，从而得到气动载荷的方法；间接测量方法则是通过受载前后结构特征的变化，确定所受载荷的一类方法，比如应变法。应变法具有技术成熟、实用性好的优点。近年来光纤传感器，尤其是布拉格光纤光栅传感器克服了应变计中通道少，易受干扰的影响，以其纤细柔软易于大面积分布式测量的特点，在航空航天领域内逐渐推广应用。

应变法需要在地面标定试验后才能在役监测。实测时，将应变作为输入代入载荷模型，反推载荷分布。由于机翼实际受载形式复杂，不可能在地面将所有受载情况进行标定，根据某一准则建立的载荷模型存在一定的盲目性，载荷识别的精度和分辨率受到载荷模型的制约。层析成像技术思路是对一个不可直接测量的整体物理场作多方向透视，通过这些透视测出有关投影值，再通过反投影重构出这个物理场。采用层析成像技术无需地面标定试验，所测试的载荷分布可以有较高的分辨率和适应性。

投影重构的数学基础是Radon变换及其逆变换，已在医疗CT、生物及工业领域的得到应用。根据Radon变换定义，需要使用积分型光纤传感器用作投影线，代替医学CT中的X射线。例如，Kulchin Y等使用积分型光纤传感器用作投影线，代替医学CT中的X射线，用于测量二维平面载荷分布。但是该方法需要大量的光纤积分型光纤传感器纵横交错布置在薄板上，Mach-Zehnder光纤干涉仪通道数量有限，在工程上不易实现。本发明采用光纤点传感器代替光纤积分型线传感器，任意两个传感器所在位置对应的挠度的梯度的散度差值即为剪力场的Radon变换。使用虚拟投影线代替真实的投影线，减少了传感器数量，简化了传感器布局，在工程上容易实现。本发明还提出了与这种传感器布局相适应的薄板横向载荷分布层析成像理论。

发明内容

本发明的目的在于将层析成像技术引入柔性薄板结构载荷分布式光纤监测与计算方法。该方法通过布置少量的光纤光栅传感器，采用以Radon变换及其逆变换为数学基础的层析成像技术，重构出薄板结构的载荷分布。将光纤光栅传感器布置在机翼蒙皮上，使用本发明的算法，实现对机翼气动力的测量，从而实现智能蒙皮。

1、为解决上述技术问题，本发明所述面向柔性薄板结构载荷分布监测的光纤层析成像方法，包括下列步骤：

步骤一、采用场论方法对柔性薄板结构微弯力学模型重新定义，将力学模型转换为基于散度、旋度和梯度运算符的表示形式；

根据柔性薄板微弯力学模型，薄板在受到横向载荷情况下，x和y方向单位长度上的剪力Q_x和Q_y如公式(1)所示；

式中：D为薄板弯曲刚度，w为挠度。如式(2)所示；