[發明專利]柔性緩沖氣囊表面膨脹變形分布式光纖監測方法

有效

• 申請號: 201910255187.2
• 申請日: 2019-04-01
• 公開（公告）號: CN110032783B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 曾捷;何彎彎;于惠勇;顧欣;胡錫濤;張益昕;吳心怡
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G01B11/16
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

1.一種柔性緩沖氣囊表面膨脹變形分布式光纖監測方法，柔性緩沖氣囊結構表面均勻分布有8條加強帶，任意兩條加強帶之間的區域相同，選擇加強帶D₁與D₂之間膨脹區域變形特征加以分析，其特征在于，包含以下步驟：

步驟一：采用有限元仿真方法對柔性緩沖氣囊結構承受不同內部壓力下的囊體表面膨脹變形特征進行數值模擬，得到不同內壓下囊體變形特征與應變分布特征；選取柔性緩沖氣囊表面加強帶D₁和加強帶D₂之間區域相對變形量最大的軸向截面作為典型膨脹截面S建立坐標系并布置光纖光柵傳感網絡，定義氣囊在不同內部氣壓下橫向膨脹變形方向為X方向變形，氣囊在不同內部氣壓下軸向變形方向為Y方向變形；

有限元仿真結果表明，囊體表面加強帶D₁與D₂之間區域的中心軸線所在的軸向截面為相對變形較大區域；將該軸向截面作為典型膨脹截面，并標記為截面S；

(1-1)首先建立膨脹截面坐標系；以柔性緩沖氣囊結構底面圓心為原點，沿底面直徑方向且通過截面的方向建立x軸，沿垂直于底面直徑方向且通過截面的方向建立y軸；假設柔性緩沖氣囊軸向高度為L，則囊體表面頂點坐標為(0,L)；將初始狀態對應的軸向截面S上對應y軸坐標為的點記為A，坐標記為對應高度為處的點記為B，坐標記為對應高度為處的點記為C，坐標記為

(1-2)布置光纖光柵傳感網絡；分別在點A、B、C處粘貼光纖光柵傳感器FBG1、FBG2、FBG3，這三個光纖光柵傳感器均沿囊體表面周向粘貼，且該粘貼方向垂直于y軸；采用光纖跳線將三根光纖光柵傳感器進行串行連接以此構成光纖光柵傳感網絡；

步驟二：根據有限元計算結果，建立軸向截面S上關鍵離散點對應的X方向變形計算模型；

(2-1)利用有限元數值模擬方法，得到不同內部氣壓下，軸向截面S上的A、B、C三點所在位置的應變變化特征；仿真計算結果表明，柔性緩沖氣囊內部氣壓與A、B、C三點所在位置的應變近似呈單調關系，內部氣壓與A、B、C三點所在位置的應變對應擬合關系模型如下表達式：

p＝aε+b

其中，p為內部氣壓，a和b為采用線性擬合方法得到的各點氣壓與應變關系式系數，ε為應變；

則根據有限元仿真結果，得到內部氣壓與A點所在位置應變對應關系表達式：

p_A＝a_Aε_A+b_A，內部氣壓與B點所在位置應變對應關系表達式：p_B＝a_Bε_B+b_B，內部氣壓與C點所在位置應變對應關系表達式：p_C＝a_Cε_C+b_C，其中，ε_A、ε_B、ε_C分別表示A、B、C點所在位置應變；

為降低誤差，將p_A、p_B、p_C的平均值作為氣囊內部氣壓測量值，柔性緩沖氣囊內部氣壓測量值用下式計算：

(2-2)通過有限元仿真分析方法，計算得到不同內部氣壓下截面S上各點X方向變形值，得到截面S上在X方向的變形趨勢，并繪制成X方向變形量與y軸坐標之間對應曲線；將該曲線上出現的波谷依次標記為波峰點依次標記為其中l₁、l₃…l_2n+1表示變形曲線上波谷點所在位置對應的y軸坐標，l₂、l₄…l_2n表示變形曲線上波峰點所在位置對應的y軸坐標，0≤l₁＜l₂＜l₃＜...＜l_n＜L；在囊體變形特征曲線上選取離散點作為柔性緩沖氣囊軸向截面S的膨脹變形計算關鍵離散點；

取各關鍵離散點所在位置的X方向變形值，建立各關鍵離散點對應的X方向變形與內部氣壓之間對應關系；根據有限元計算結果，關鍵離散點所在位置的X方向變形值與內部氣壓對應呈線性關系；關鍵離散點所在位置的變形值與柔性緩沖氣囊內部氣壓對應關系模型表示為：

其中，Δl_j為各關鍵離散點的X方向變形值，m_j、n_j為采用線性擬合方法獲得的變形與氣壓關系式系數；由此得到若干關鍵離散點所在位置X方向變形值與內部氣壓對應表達式矩陣；

將帶入上述各離散點X方向變形值與內部壓力對應關系模型，則得到囊體軸向截面S上的關鍵離散點所在位置的X方向變形值與囊體表面軸向截面S上的A、B、C三點的應變對應關系：

上式中j為下標，表示柔性緩沖氣囊軸向截面S上關鍵離散點標記名，k、q為對應關系模型表達式系數，ε_i表示A、B、C三點所在位置的應變，其中i＝A,B,C；

根據上述函數模型矩陣，建立了柔性緩沖氣囊軸向截面S上若干離散點所在位置的X方向變形值與囊體表面A、B、C三點所在位置的應變之間的關系模型，即由囊體表面A、B、C三點所在位置在不同內部氣壓下的應變，獲取氣囊軸向截面S上關鍵離散點在不同內部氣壓下的X方向變形值；

步驟三：利用光纖光柵傳感器監測柔性緩沖氣囊結構在不同內部氣壓作用下的表面應變變化，將光纖光柵傳感器所測應變帶入變形計算反演模型，獲取截面S上關鍵離散點X方向變形值；

步驟四：根據不同內部氣壓下，柔性緩沖氣囊表面截面S上X方向變形變化曲線，提取該曲線中關鍵離散點變形值，建立截面S上任意位置X方向變形值計算模型，獲取截面S在不同內部氣壓下膨脹變形之后的截面SS上任意位置的X方向變形值；

有限元計算結果表明，柔性緩沖氣囊表面軸向截面S上的變形趨勢曲線上的相鄰波谷和波峰點之間位置的X方向變形值變化曲線近似為線性關系；假設兩個相鄰波谷與波峰點之間的任一點變形值與該點所對應的初始y軸坐標之間的關系表達式為：

Δx＝wy+h

其中Δx為相鄰波谷與波峰之間任意一點的X方向變形值，y為波谷與波峰之間任意一點對應的初始y軸坐標；

假設相鄰波谷點與波峰點對應的變形值與初始y軸坐標分別對應為(Δx_2n-1,y_2n-1)、(Δx_2n,y_2n)，則能夠計算得到該相鄰波谷點與波峰點之間任意點的變形值計算表達式的系數為：

則根據w、h的值與柔性緩沖氣囊截面S上相鄰兩個波谷點與波峰點之間任意一點的初始y軸坐標，能夠計算不同內部氣壓作用下囊體膨脹后的軸向截面SS上任意一點的X方向變形值；

步驟五：重復步驟二中(2-2)到步驟四，建立柔性緩沖氣囊表面截面S上任意位置Y方向變形計算模型，獲取截面S在不同內部氣壓下膨脹變形之后的截面SS上任意位置的Y方向變形值；

(5-1)通過有限元仿真分析方法，計算得到不同內部氣壓下截面S上各點Y方向變形值，得到截面S上在Y方向的變形趨勢，并繪制成Y方向變形量與y軸坐標之間對應曲線；將該曲線上出現的波谷依次標記為波峰點依次標記為在囊體變形特征曲線上選取離散點作為柔性緩沖氣囊軸向截面S的膨脹變形計算關鍵離散點；

取各關鍵離散點所在位置的Y方向變形值，建立各關鍵離散點對應的Y方向變形與內部氣壓之間對應關系；根據有限元計算結果，關鍵離散點所在位置的Y方向變形值與內部氣壓對應呈線性關系；關鍵離散點所在位置的變形值與柔性緩沖氣囊內部氣壓對應關系模型表示為：

其中，Δl_k為各點的Y方向變形值，e_k、g_k為采用線性擬合方法獲得的變形與氣壓關系式系數；由此得到若干關鍵離散點所在位置Y方向變形值與內部氣壓對應表達式矩陣；

將氣囊內部氣壓與囊體表面A、B、C三點應變對應的關系式帶入上述各離散點Y方向變形值與內部壓力對應關系模型，則得到囊體軸向截面S上的關鍵離散點所在位置的Y方向變形值與囊體表面軸向截面S上的A、B、C三點的應變對應關系：

上式中k為下標，表示柔性緩沖氣囊軸向截面S上關鍵離散點標記名，r、t為對應關系模型表達式系數，ε_i表示A、B、C三點所在位置的應變，其中i＝A,B,C；

根據上述函數模型矩陣，建立了柔性緩沖氣囊軸向截面S上若干離散點所在位置的Y方向變形值與囊體表面A、B、C三點所在位置的應變之間的關系模型，即由囊體表面A、B、C三點所在位置在不同內部氣壓下的應變，獲取氣囊軸向截面S上關鍵離散點在不同內部氣壓下的Y方向變形值；

(5-2)利用光纖光柵傳感器監測柔性緩沖氣囊結構在不同內部氣壓作用下的表面應變變化，將光纖光柵傳感器所測應變帶入變形計算反演模型，獲取截面S上關鍵離散點Y方向變形值；

(5-3)根據不同內部氣壓下，柔性緩沖氣囊表面截面S上X方向變形變化曲線，提取該曲線中關鍵離散點變形值，建立截面S上任意位置Y方向變形值計算模型，獲取截面S在不同內部氣壓下膨脹變形之后的截面SS上任意位置的Y方向變形值；

有限元計算結果表明，柔性緩沖氣囊表面軸向截面S上的變形趨勢曲線上的相鄰波谷和波峰點之間位置的Y方向變形值變化曲線近似為線性關系；假設兩個相鄰波谷與波峰點之間的任一點變形值與該點所對應的初始y軸坐標之間的關系表達式為：

Δy＝vy+z

其中Δy為相鄰波谷與波峰之間任意一點的Y方向變形值，y為波谷與波峰之間任意一點對應的初始y軸坐標；

假設相鄰波谷點與波峰點對應的變形值與初始y軸坐標分別為(Δy_2n-1,y_2n-1)、(Δy_2n,y_2n)，則能夠計算得到該相鄰波谷點與波峰點之間任意點的變形值計算表達式的系數為：

則根據z、y的值與柔性緩沖氣囊截面S上相鄰兩個波谷點與波峰點之間任意一點的初始y軸坐標，能夠計算不同內部氣壓作用下囊體膨脹后的軸向截面SS上任意一點的Y方向變形值；

步驟六：根據步驟四和步驟五所得截面S在不同內部氣壓下膨脹變形后的截面SS上任意位置X方向和Y方向變形信息，獲取截面SS上任意位置二維坐標；

假設初始狀態下截面S上任意一點的初始坐標為(x₀,y₀)則根據步驟四與步驟五得到的截面S膨脹后的截面SS上任意點坐標表示為(xx,yy)；其中：xx＝x₀+Δx，yy＝y₀+Δy將Δx＝wy₀+h，Δy＝vy₀+z代入上式，得

2.根據權利要求1所述的柔性緩沖氣囊表面膨脹變形分布式光纖監測方法，其特征在于：所述的柔性緩沖氣囊結構為對稱的類圓形結構，因此能夠根據上述方法求出氣囊表面具有代表性的軸向截面膨脹變形，根據對稱結構變形相同原理近似得到柔性緩沖氣囊結構整體膨脹變形。