飞艇骨架结构动态损伤识别方法.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaelAstrOnauticaSinicaNov．252016V01．37No．113385．3394ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．cahkxb@buaa．edu．cn飞艇骨架结构动态损伤识别方法余建新1’2，卫剑征1，谭惠丰1’*1．哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，哈尔滨1500802．哈尔滨工业大学分析测试中心，哈尔滨150001摘要：针对飞艇骨架结构中损伤引起的模态跃迁现象导致无法通过匹配损伤前后动态特性参数变化来识别损伤的难题，给出3种只基于损伤后振动响

2、应信息进行损伤识别的动态方法。通过模态分析方法获得结构的模态参数，分别推导模态振型曲率法、均布载荷面曲率法和虚拟轴向应变法等3种损伤识别算法。定义损伤指标，并根据损伤指标局部峰值来识别和定位损伤杆件。以半硬式飞艇常见狭长构型三角截面碳纤维复合材料桁架为例，结合有限元法和自编MAT—LAB程序进行损伤识别仿真研究，影响参数包括损伤类型、损伤位置、损伤程度和噪声量级等，最后对损伤识别算法的有效性进行试验验证。结果表明新损伤识别方法对损伤敏感，在环境噪声工况下能准确识别和定位单个和多个损伤杆件。文中方法均基于结构整体振动信息进行损伤杆件识别，将来可用于构造飞艇骨架

3、实时结构健康监测系统。关键词：损伤识别；损伤指标；飞艇骨架；柔度矩阵；均布载荷面中图分类号：V11文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)11-3385～10飞艇是浮空器的主要形式，它利用空气浮力上升到预定高度，具有能量消耗低、垂直升空和降落特点，是新型空中运输工具和高空移动平台，成为近期研究热点[1。5]。如2013年美国战略空运力量新成员塘鹅飞艇，长约为77m，结构自重为16t，有效载荷高达66t，飞行高度为18000ft(1ft≈30．48cm)，航速为120kn，有效航程近6000km。塘鹅飞艇运载能力与大型运载机G15相当，但是耗费的

4、燃料却只有后者的1／3。美国还投入巨资进行了高空飞艇(HAA)、海象(Wal—rus)飞艇、NASA高空平台飞艇、高空哨兵(HiSentinel)、高空长航时飞艇(HALE)等一系列飞艇项目心]，陈务军和董石麟[31总结了以德国为代表的欧洲飞艇研究发展情况。国内也开展了多项飞艇的研究工作，许多新概念轻量化飞艇相继提出[4J。2015年10月，由北京航空航天大学牵头的中国第一艘临近空间飞艇成功试飞并验证多项关键技术¨J。飞艇的结构安全是保证整个系统正常工作的前提，飞艇结构的损伤监测具有以下特点[6]：①飞艇属于大型柔性结构，刚性差，在内外载荷作用下容易变形；②

5、使用环境复杂，包括高低温度、紫外线、臭氧以及云层放电等引起损伤的因素较多；③工作时间长，必须保证结构安全才能实现功能部件正常工作。目前，飞艇结构的损伤识别和健康监测系统还处于起步阶段，其中损伤指标和损伤识别算法的有效性是构造飞艇结构损伤监测系统的重要基础。戈嗣诚和陈国良[6]建议采用电阻应变片和柔性聚酯压电薄膜对飞艇蒙皮损伤进行多点监测。但对于飞艇骨架损伤识别和健康监收稿日期：2015—11-02；退修日期：2015—12—11；录用日期：2016-03—10：网络出版时间：2016—03—2915：37网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／de

6、tail／11．1929V．201603291537．012．htmI基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(HIT．MKSTISP．201609)*通讯作者Tel：0451—86402327E—mail：tanhf@hitedu．C13§

7、用格武t余建薪．卫蓟征，谭惠丰飞艇骨架结构动态损伤识鄹方法[J]航空学报．2016．37(11)：3385—3394．YUJX．WEIJZ．TANHFDynamicdamagedetectionmethodsforairshipframeworkstructureEJJ．ActaAeronauticaetAstrona

8、uticaSinica，2016，37(11)：3385-3394。航空学报Nov．252016V01．37No．11测，目前暂时没找到相关资料，本文对飞艇骨架结构进行损伤识别研究，对保障飞艇结构安全有重要意义。图1为德国齐柏林(ZeppelinNT)飞艇骨架结构示意图，它由3根铝合金纵向龙骨，12个三角形截面碳纤维框架和若干芳纶纤维拉索组成。飞艇骨架与吊舱、推进器、尾翼等相连，是半硬式飞艇的主要力传递支撑构件。拉索三角框纵粱、图lZeppelinNTE艇骨架结构Fig．1FrameworkstructureofZeppelinNTairship针对碳纤维飞

9、艇骨架的力学性能，许多学者开展了研究，如Brandt