基于正交离散fbg网络的柔板结构形态感知与重构研究

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1、基于正交离散FBG网络的柔板结构形态感知与重构研究第一章绪论1.1课题研究目的和意义航空航天事业的日益发展和技术革新对人类生活、生产的影响越来越大。随着技术的不断进步，柔性结构特别是大型柔性结构被越来越多的应用于航空航天器上，成为其重要结构构成之一，相应的柔性结构的可靠性和安全性问题随之产生。航空航天领域典型柔性结构有太阳能电池板、大型太空天线、太空望远镜、空间机械臂、相控阵天线阵面等，这些结构在其在轨运行期间一方面需要连续不间断的工作，另一方面需要持续保证很高的运行保形精度，即对保持结构外形有着极

2、为苛刻的技术要求。上述柔性结构从结构特点上讲，一般具有低刚度、小阻尼、共振频率低和模态密集的特征，加之太空环境外阻较小，极易导致结构受到扰动激励后发生持续的结构形态变化和大幅低频振动，从而使得常规的结构形态监测方法难以适应上述环境。例如，航天器在轨期间一旦受到轨道或姿态机动、折叠机构展开等自身因素激励，或者受到宇宙风、微粒子流、以及空间温度剧烈交变等外界因素作用，便有可能产生结构形变或者振动响应，特别是其大幅的形态变化或振动响应如果持续较长时间，不但影响柔性结构本身的工作性能，而且极有可能发生与航天

3、器主体的耦合作用，从而影响航天器的姿态稳定和定向精度；此外，长期、强烈的形变和振动也有可能使结构发生疲劳破坏，导致整器性能下降甚至失效，直接威胁航天器在轨任务的完成。因此，研究大型航天柔性结构形态变化和振动状况监测方法技术，历来是航天技术发展中的一个重点领域和难点课题，因此在失重条件下使各种柔性结构、天线和望远镜保持稳定被美国国家研究理事会列为影响太空探索的关键技术之一[1-4]。针对高性能飞行器的结构监测重点包括飞行器构体姿态、振动形态、健康状态以及自适应程度等诸多方面，这些方面对飞行器的性能优化

4、、安全性、可靠性、稳定性和生存能力起到至关重要的保障作用。在重大军事战略需求和全球能源环境压力的背景下，各类新概念飞行器的研究和试验成为当前世界各航空发达国家积极探索研究的目标，目的是使未来高性能飞行器飞得更快、更远或滞空时间更长。例如，2004年11月美国NASA的X-43A临近空间高速试验机创造了高达9.8马赫的飞行速度；2001年8月美国太阳神无人机创造了29.5km的飞行高度记录，其翼展达到75.3米，滞空时间18小时；为实现在无燃料和无污染状况下实现昼夜不间断的环球飞行，瑞士研究了阳光动力

5、号飞行器并于2009年面世，其完全由太阳能驱动，翼展达到63.4米；美国已部署的全球鹰高空无人侦察机，机身长13.5米，翼展达到39米，滞空时间超过30小时。........1.2FBG光栅感知基本原理加拿大渥太华通信研究中心在1978年首次发现掺锗石英光纤的光敏效应，并采用驻波写入法制成了世界上第一根光纤光栅。1989年美国联合技术研究中心在光纤光栅制作技术上实现了突破性进展，通过UV激光侧面写入技术实现光纤光栅的制作[22-24]。FBG传感器具有采集精度高、实时性强、传感器易于与基体结合、抗干

6、扰能力强、寿命长、复用性好、功耗低等优点[25,26]，可以通过波分复用和空复用技术实现离散传感阵列的构建[27,28]。下面对FBG传感技术的基本原理和解调、复用技术进行分析。如果外界的物理环境改变而引起光栅栅距改变，此时被反射的中心波长也将产生改变，例如，温度改变引起的热胀冷缩效应或者应力改变引起的应变就会引起光栅栅距改变。本质上，光栅的基本工作原理可以理解为以中心波长为中心的窄带光学滤波器。依据此特性，便可依据光栅中心波长的变化推算外界环境的变化，即被测物理量的变化。.........第二章基

7、于模态位移叠加的空间曲面重构算法2.1引言本文研究目标是针对柔性板状结构形态变化进行实时感知与重构，即利用离散分布式FBG传感网络获得的板状结构表面正交应变信息重构结构表面的位移场，本质上是空间曲面的拟合重构问题，属于非视觉的形态感知方法。从技术思路上讲，非视觉形态感知方法有基于应变信息的模态位移叠加法和基于曲率信息的几何迭代递推法，其中基于曲率信息的几何迭代递推法将在后续章节中进行介绍，本章主要对模态位移叠加法进行详细分析。模态位移叠加的基本思路是利用系统自由振动的固有振型将运动方程转换为n个相互

8、不耦合的振动方程，n为系统的自由度数，每个单自由度系统的振动方程可以通过杜哈美积分进行求解。因此，利用模态位移叠加法对板状结构进行形态重构包括两个方面：求解系统的固有频率和固有振型；求解系统的应变位移矩阵；通过算法的仿真分析，结果表明基于模态叠加法的空间曲面重构算法是有效可行的。.......2.2重构效果分析方法要考察拟合算法的优劣，必须定量的进行拟合效果分析，可以从拟合算法计算机资源消耗和拟合误差两个方面进行分析；由于拟合算法资源消耗通过软件程序直接获取，相对简单