柔性结构分布式光纤形态感知与三维重构技术研究

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1、中图分类号：TP391论文编号：102870118-S118学科分类号：080402硕士学位论文柔性结构分布式光纤形态感知与三维重构技术研究研究生姓名何凯学科、专业测试计量技术及仪器研究方向光纤结构健康监测指导教师曾捷副教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceEngineeringResearchonmorphologyperceptionand3

2、DreconstructionofflexiblestructurebasedonDistributedOpticalFiberSensorAThesisinMeasuringandTestingTechnology&InstrumentsByHeKaiAdvisedbyAssociateProf.ZengJieSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论

3、文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要大型柔性结构和空间伸展结构在航空航天领域的应用越来越多，如大展弦比飞行器、太阳能帆板、大型展开天线以

4、及空间机械臂等。针对此类结构服役状态的智能辨识，对于目前开展新型飞行器设计和高轨深空探测研究具有重要意义。为此，本文提出了一种基于分布式光纤传感器的结构变形与振动实时监测技术，以及实现对飞行器结构变形、振动以及冲击等状态的实时监测，提升飞行器服役期间安全性和可靠性。本文主要研究内容包含以下几个方面：首先，简要介绍了光纤光栅传感器应变感知特性，给出FBG传感器标定、数量计算方法以及选型依据，为后续构建面向柔性结构的分布式光纤变形、振动与冲击监测系统提供重要保障。其次，针对可变体飞行器结构翼面变形监测需求，开展了类似机翼的

5、柔性单边固支板结构数值模拟与形态重构算法研究。借助MSC.Patran/Nastran有限元仿真方法，数值模拟得到柔性板结构总体应变分布以及在单点加载和多点加载条件下的变形特征。研究了基于光纤光栅应变监测的曲率计算及其连续化方法，在此基础上，给出了基于正交曲率信息的空间曲面重构算法。再次，研究了基于分布式光纤传感器的柔性单边固支板结构变形监测与反演技术。基于图形化软件LabVIEW，分别实现了静态纯弯变形、静态扭转变形和动态变形等三维结构形态的监测、反演与可视化，采用激光位移传感器及有限元仿真结果对变形重构算法进行了验

6、证及评估。然后，针对空间可展开结构在轨变形监测需求，研究了基于曲率和弧长信息曲线重构的柔性可盘卷式复合材料伸展结构变形监测与反演算法。借助MSC.Patran/Nastran有限元分析方法，数值模拟得到伸展结构自由端两点对称加载以及多点对称加载条件下的变形特征。构建分布式光纤变形监测与形态反演系统，实现了不同加载模式下的伸展结构形态重构与可视化实时显示。最后，针对空间可展开结构在轨振动冲击监测需求，研究了一种基于分布式光纤传感器的柔性可盘卷式复合材料伸展结构服役状态快速辨识方法。借助MSC.Patran/Nastran

7、有限元分析方法，数值模拟得到伸展结构位移响应规律以及振动模态特征。在此基础上，构建了分布式光纤振动与冲击监测平台，获取了柔性可盘卷式复合材料伸展结构前三阶固有模态和振型特征。关键词：柔性单边固支板，柔性伸展结构，光纤传感器，形态反演算法，变形监测，振动监测本文得到国家自然科学基金-联合基金项目(U1537102)、航空科学基金(20152852036)、上海航天科技创新基金(SAST2015062)、中央高校基本科研业务费专项资金资助(NS2016004)、机械结构力学及控制国家重点实验室开放课题(MCMS-0516K

8、01)、江苏高校优势学科建设工程基金资助。本文工作在南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室完成。I柔性结构分布式光纤形态感知与三维重构技术研究ABSTRACTLargeflexiblestructuresandspacedeployablestructuresareappliedmoreandmorewidelyinae