[发明专利]直升机桨叶挥舞与摆振弯矩分布式光纤解耦测量方法

摘要

本发明公开了一种直升机桨叶挥舞与摆振弯矩分布式光纤解耦测量方法，包括以下步骤：计算直升机桨叶截面静矩和计算桨叶剖面惯性矩；根据基尔霍夫中性层假设原理，初步选取挥舞/摆振弯矩对应的大致解耦节点位置。在该解耦节点位置沿桨叶展向粘贴分布式光纤光栅传感器；通过对直升机桨叶施加挥舞/摆振载荷，计算得到桨叶弦向任意位置对应的应变值；将应变值进行拟合，选择该拟合曲线应变值为零时所对应的坐标位置。将该坐标位置选作为直升机桨叶挥舞/摆振弯矩对应的解耦节点。本方法能够快速准确确定直升机桨叶挥舞/摆振弯矩解耦节点关键位置，能够实现对不同形式挥舞/摆振弯矩作用下直升机桨叶不同方向应变的准确测量。

主权项

1.一种直升机桨叶挥舞与摆振弯矩分布式光纤解耦测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、根据直升机桨叶形状计算直升机桨叶剖面椭圆部分的静矩；步骤二、根据静力学力矩定理计算桨叶剖面形心位置，根据形心位置确定桨叶剖面主坐标系，并根据所确定坐标系计算剖面惯性矩；步骤三、根据基尔霍夫中性层假设原理，初步选取挥舞/摆振弯矩对应的大致解耦节点位置，在该解耦节点位置沿桨叶展向粘贴光纤光栅传感器，光纤光栅传感器轴向方向应与桨叶展向方向一致；在桨叶结构上布置分布式光纤光栅传感器，桨叶根部固定，选取一个剖面，在经过剖面主坐标系的桨叶表面依次布置三个光纤光栅传感器，分别为光纤光栅传感器一FBG1、光纤光栅传感器二FBG2、光纤光栅传感器三FBG3，根据基尔霍夫中性层假设原理，结构中性层应力为零，而剖面主坐标系的横向轴和纵向轴近似看作是该剖面初始中性层，坐标轴与桨叶剖面的交点即为光纤光栅传感器布置点，采用光纤跳线将光纤光栅传感器一FBG1、光纤光栅传感器二FBG2、光纤光栅传感器三FBG进行串行连接，形成波分复用型传感网络；步骤四：对直升机桨叶进行挥舞摆振加载，测得其剖面有限点的应变值，对采集到的桨叶离散点的展向应变数据进行连续化，求得桨叶弦向方向上不同位置对应的展向应变分布曲线方程，进而反演出桨叶弦向任意位置对应的应变值；对桨叶施加挥舞力和摆振力，通过采集三个节点上的光纤反射波长信号，根据光纤光栅应变传感原理将其转化为应变值，再将应变值进行应变连续化，求得应变变化方程，得到该剖面任意点应变值，应变与光栅波长关系如式(6)所示Δλ_B/λ_B＝(1‑P_e)Δε      (6)其中，△λ_B为光纤光栅中心波长变化量，λ_B为光纤光栅中心波长，P_e为光纤光栅有效弹光系数，△ε为应变值变化量，应变值与弦向位置关系如式(7)所示其中，ε(γ)为应变值，ε_a为弦向起始应变值，ε_b为弦向末端应变值，γ为弦向位置，γ_a为弦向起始位置，Δγ为弦向长度差；步骤五：将步骤四所测桨叶弦向离散位置对应的应变值进行拟合，选择该拟合曲线应变值为零时所对应的坐标位置，得到挥舞摆振解耦节点，再对挥舞摆振解耦节点位置进行修正，进而确定桨叶剖面光纤光栅传感器具体布局位置，即挥舞测量节点和摆振测量节点；直升机桨叶在旋转状态下，主要受到离心力F_c以及剖面弯矩M_e作用，根据力平衡可得：F_c＝∫_AσdA＝0     (8)M_e＝∫_AzσdA      (9)其中，σ为应力，A为剖面面积，z为微元面到中性轴的距离，建立桨叶剖面坐标系存在坐标关系Z_σ＝Z₀+ΔZ；当桨叶受到弯矩载荷作用时，一部分剖面达到极限应力σ_m，根据几何关系可得应力与Z_σ关系：结合坐标关系，将式(10)代入式(8)式可得替换变量可得再将式(10)、(12)代入式(9)可得其中，l为剖面屈服部分到中性轴的距离，△z为中性轴偏移量，M_e为剖面弯矩，S_k为桨叶剖面屈服部分对剖面中性轴的静矩，S_t为桨叶剖面弹性部分对剖面中性轴的静矩，I_t为桨叶剖面弹性区域对剖面中性轴的惯性矩，A_k为桨叶剖面屈服部分面积，A_t为剖面弹性部分面积，计算出中性轴偏移量△z后，对桨叶中性轴位置进行修正，最终确定FBG传感器节点位置。