[发明专利]一种大型风洞柔板结构多状态信息的动态监测方法

说明书

本发明提供了一种大型风洞柔板结构多状态信息的动态监测方法，该方案根据柔板结构的力学仿真结果，确定柔板结构应力较大区域，在相关区域设置应变和温度监测点，并利用光栅光纤传感技术构建成结构状态监测网络；通过传感器网络提取监测点的动态温度和应变数据，并对动态应变数据进行分析和处理，得到监测点的振动和变形信息；基于监测点的数据，利用插值算法计算得到整个柔板结构的应变、温度、振动和变形信息。本发明具有多参数测量、布线简单、成本低、可实现大尺寸结构状态监测等优点。

技术领域

本发明涉及的是风洞结构状态健康监测技术领域，尤其是一种大型风洞柔板结构多状态信息的动态监测方法。

背景技术

喷管段是风洞的核心部段，直接影响风洞试验的流场品质，其中喷管段型面的精确成型是获得高性能流场的关键。大型风洞喷管具有结构尺寸大、载荷大、成型精度高和执行机构多等特点，甚至要求在吹风过程中调节喷管型面。喷管型面的成型需要通过柔板结构的变形来实现，在此过程中，柔板需要承受执行机构的推(拉)力、机械结构的自重和气动载荷，容易产生局部应力集中，尤其是执行机构发生故障时，有可能对柔板产生损伤，甚至带来破坏性的影响。实现大型柔板结构状态信息的动态检测，对于风洞安全可靠运行具有重要意义。

在现有柔板结构的状态监测过程中，通常采用传统的应力片、热电偶、加速度计等对局部点的应力、温度、振动等多状态信息进行监测，可以满足小型风洞柔板结构状态监测的要求。然而，对于大型风洞柔板结构，由于结构尺寸较大，需要重点监测的区域多，如果还采用传统的检测技术，需要安装的传感器数量将数以百计，不仅工作量大、布线繁杂、可靠性低，还存在测量区域有限的问题。因此，需要开展新型传感技术的研究，以解决大尺寸风洞柔板结构多状态信息动态检测的难题。

针对上述问题，本专利基于光纤传感器网络技术，开展柔板结构多状态信息的动态检测方法的研究，以获取应力/应变、温度和振动等结构状态信息，实现大型风洞柔板结构的结构状态监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，基于光栅光纤传感器网络，提供一种多参量、布线简单、适合大尺度风洞柔板结构的状态信息监测的动态检测方法，可以同时实现温度、应变、振动和变形的监测。

本发明提出的上述技术方案的基本原理是：首先，采用动力学仿真方法获得风洞柔板的应变云图，在应变较大的区域设置光栅光纤应变传感器和温度传感器，从而构建成光栅光纤传感器网络；其次，通过光栅光纤传感器提取的监测点处的动态温度和应变数据，并利用插值算法得到柔板结构的温度云图和应变云图；然后，利用频谱分析对动态应变数据进行处理，获得柔板结构的振动频率信息；最后，通过构建应变-变形函数关系，得到每个监测点的变形量，再利用插值算法得到重构的变形云图。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种大型风洞柔板结构多状态信息的动态监测方法，其特征是：包括有以下步骤：

(1) 基于有限元分析结果确定监测点：利用有限元分析软件对柔板结构进行分析，获得柔板结构在风洞运行时的应变云图，查找应变云图中应变较大的点，作为需要重点监测的点；

(2) 构建光栅光纤传感器网络：将光栅光纤应变传感器设置在步骤(1)中确定的重点监测点上，同时在光栅光纤应变传感器旁边布设光栅光纤温度传感器，从而构建成可获取温度和应变数据的光栅光纤传感器网络；

(3) 动态温度云图和应变云图的重构：提取光栅光纤传感器网络的动态温度和应变数据，根据传感器特性参数、测试环境等因素实时修正监测数据精度，并利用插值算法重构得到整个柔板结构的动态温度云图和应变云图；

(4) 结构振动信息的重构：基于步骤(3)中修正后的动态应变数据，对每个测量点的动态应变数据进行频谱分析方法，获得各监测点处的结构振动频率信息；

(5) 结构动态变形信息的重构：构建应变-变形的函数关系，利用步骤(3)中修正后的动态应变数据，计算得到每个测量点的动态变形数据，并利用插值算法重构得到整个柔板结构的变形云图。