基于振型叠加法的柔性结构形态重构研究

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1、中图分类号：单位代号：10280密级：学号：13721217硕士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYMASTER’SDISSERTATION题基于振型叠加法的柔性结构目形态重构研究作者李五欠学科专业测试计量技术及仪器导师李丽完成日期2016-2-29上海大学硕士学位论文姓名：李五欠学号：13721217论文题目：基于振型叠加法的柔性结构形态重构研究上海大学本论文经答辩委员会全体委员审查,确认符合上海大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：主任：委员：导师：答辩日期：I上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人

2、在导师指导下进行的研究工作。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发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：导师签名：日期：II上海大学硕士学位论文上海大学工学硕士学位论文基于振型叠加法的柔性结构形态重构研究姓名：李五欠导师：李丽学科专业：测

3、试计量技术及仪器上海大学机电工程与自动化学院2016年2月III上海大学硕士学位论文ADissertationSubmittedtoShanghaiUniversityfortheDegreeofMasterinEngineeringTheResearchonStructuralShapeReconstructionUsingModalSuperpositionMethodMACandidate：LiWuqianSupervisor：LiLiMajor：MeasurementTechniquesandInstrumentationSc

4、hoolofMechatronicsEngineering&AutomationShanghaiUniversityFebruary,2016IV上海大学硕士学位论文摘要大型柔性结构广泛应用于航空航天领域，例如太阳能帆板、大飞机机翼和卫星板状天线等。这些航天结构部件一般具有刚度小、质量轻和面积大等特点，在长期运行时需要保证一定的运行精度，但是在太空中该类结构易受到轻微扰动而发生结构变形和低频振动，这对航天器造成了极大的安全隐患。因此，研究柔性结构的形态重构对航天部件的健康监测具有非常重要的意义。针对柔性结构的形态重构，一般是在柔性结构

5、表面布设传感器测量结构形态变化的物理信息如应变、加速度等，然后利用形态重构算法建立一种从测量的物理信息到全局位移场的转换关系，从而实现结构的形态重构。本文以航天结构健康监测为研究背景，针对板状柔性结构模型，将基于光纤布拉格光栅(FBG,FiberBraggGrating)传感器的应变测量网络、基于振型叠加法的位移估算方法和计算机图形处理技术结合起来进行柔性结构形态重构的方法技术研究。首先，本文针对所研究的柔性结构进行了基于有限元方法的结构力学分析。在ANSYS有限元分析软件中创建了目标结构的有限元模型并进行了模态分析，得到了结构的应变

6、振型和位移振型。通过静力分析和谐响应分析对结构的变形形态做了分析并了解其结构形变特征。同时结构静动态力学分析获得的结构变形响应如应变和位移为结构形态重构数值仿真提供了对比分析数据。其次，对柔性结构形态重构进行了理论推导和数值仿真。振型叠加法首先利用少量测量应变信息和应变振型叠加关系获取振型坐标，然后利用振型坐标对位移振型进行线性组合求出结构的全局位移，从而建立了一种从测量离散应变信息到结构全局位移场的转换关系。本文采用C#语言结合ANSYS二次开发接口技术对柔性结构的形态重构算法进行了数值仿真，仿真结果表明针对柔性结构简单变形和复杂变

7、形，此重构技术具有良好的形态重构效果。同时，对感知网络传感器布局进行了优化研究并对重要参数进行了分析。本文选用结构形态重构误差作为传感器布局优化准则，利用模拟退火优化算法对传感器的位置进行了优化研究，传感器位置通过优化后明显提高了结构形态重构的重构效果；然后分别分析了传感器数量和方向对结构形态重构效果的影响；最后V上海大学硕士学位论文对传感器的位置和方向做了多目标优化分析，结果表明传感器多目标优化的结构形态重构效果更加显著。此外，本文对激励频率、激励幅值、模态阶数和条件数的作用进行了参数研究。最后，搭建了实验平台并对形态重构方法进行了

8、实验验证和分析。在实验中，首先在柔性结构表面布设FBG应变传感器获取结构的离散应变信息，然后利用基于振型叠加法的位移重构算法对研究对象进行重构并通过可视化平台进行实时显示，从而达到对柔性结构形态变化的实时监测。实验中分析