[发明专利]柔性缓冲气囊表面膨胀变形分布式光纤监测方法

说明书

本发明涉及一种柔性缓冲气囊表面膨胀变形分布式光纤监测方法，该方法主要包括以下步骤：步骤一：选取典型膨胀截面S建立坐标系并布置光纤光栅传感网络；步骤二：建立轴向截面S上关键离散点X方向变形计算模型；步骤三：获取截面S在不同内部气压下膨胀变形之后的截面SS上的关键离散点X方向变形值；步骤四：获取截面SS上任意位置的X方向变形值；步骤五：重复步骤二中（2‑2）到步骤四，获取截面SS上任意位置的Y方向变形值。步骤六：获取截面SS上任意位置二维坐标。该方法通过采集少量离散点的光纤光栅的响应应变信号，通过有限元仿真与公式推导，能够快速计算柔性缓冲气囊表面典型膨胀截面S的膨胀变形。

技术领域

本发明属于结构健康监测的领域，具体提出了一种柔性缓冲气囊表面膨胀变形分布式光纤监测方法。

背景技术

柔性缓冲气囊是一种着陆缓冲装置，属于新型柔性充气结构，具有可折叠展开、重量轻、成本低、伸展性好等特点，作为能量衰减系统被广泛用于航空航天回收工程、物质设备的空投保护以及人员应急保护等领域中。

柔性缓冲气囊结构在服役过程的平稳性、精确性和可靠性直接关系到航空航天结构的服役安全、效率以及观察精度。实时获取柔性缓冲气囊结构在不同内部气压作用下的膨胀变形可以为柔性缓冲气囊结构在工作过程中的形态控制与健康状况评估提供重要的依据，并且对于缓冲气囊承载容限特性研究、性能改进具有重要意义。因此需要对柔性缓冲气囊结构在不同内部气压作用下的关键区域变形情况进行计算。

目前，结构变形监测在航空航天领域得到广泛关注。未来空间结构将更多的朝多功能化、多任务化方向发展，这势必会对结构形状传感提出更高要求。Foss和Haugse首次提出结构变形计算的模态转换算法。在此基础上，P.B.Boert等对基于应变测试的模态转换方法做了进一步研究，给出了该方法的有限元分析步骤。针对机翼变形计算，Tessler等提出逆向有限元法，基于最小二乘变分方程求解得到结构应变场和位移场之间的转换函数。以上算法主要侧重对板、机翼等刚性结构变形特征进行分析，并未涉及针对柔性充气结构服役过程变形状态的实时监测与计算。此外，柔性缓冲气囊的表面为不规则弧形结构，在不同内部压力下，囊体表面膨胀变形是非线性的，并且变形量较小，采用非接触式测量方法很难精确捕捉到囊体表面膨胀变化。针对这些问题，本发明提出一种通过获取柔性缓冲气囊表面离散点应变信息来实现囊体膨胀变形监测方法。

光纤光栅传感技术具有体积小，质量轻，成本低，易于仪器化，具有分布式测量、抗腐蚀能力强等优点正受到越来越广泛的重视。基于上述分析，本发明提出采用分布式光纤光栅传感器监测柔性缓冲气囊表面关键节点的应变信息，推导计算柔性缓冲气囊表面膨胀变形情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够用于柔性缓冲气囊结构表面轴向截面膨胀变形光纤光栅快速计算方法。该方法通过采集少量离散点的光纤光栅传感器的应变响应信号，通过有限元模拟结果给出柔性缓冲气囊结构轴向截面膨胀变形计算模型。

为解决上述技术问题，本发明所述基于分布式光纤光栅的柔性缓冲气囊结构表面关键区域表面膨胀变形快速计算方法，该方法不需要大量数据样本点、过程较为简单。包括下列步骤：

步骤一：采用有限元仿真方法对柔性缓冲气囊结构承受不同内部压力下的囊体表面膨胀变形特征进行数值模拟，得到不同内压下囊体变形特征与应变分布特征。选取柔性缓冲气囊表面加强带D₁和加强带D₂之间区域相对变形量最大的轴向截面作为典型膨胀截面S建立坐标系并布置光纤光栅传感网络，定义气囊在不同内部气压下横向膨胀变形方向为X方向，气囊在不同内部气压下轴向变形方向为Y方向。

柔性缓冲气囊结构表面均匀分布有8条加强带，任意两条加强带之间的区域相同，因此选择加强带D₁与D₂之间膨胀区域变形特征加以分析。有限元仿真结果表明，囊体表面加强带D₁与D₂之间区域的中心轴线所在的轴向截面为相对变形较大区域。将该轴向截面作为典型膨胀截面，并标记为截面S。