[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

本發明涉及一種柔性緩沖氣囊表面膨脹變形分布式光纖監測方法，該方法主要包括以下步驟：步驟一：選取典型膨脹截面S建立坐標系并布置光纖光柵傳感網絡；步驟二：建立軸向截面S上關鍵離散點X方向變形計算模型；步驟三：獲取截面S在不同內部氣壓下膨脹變形之后的截面SS上的關鍵離散點X方向變形值；步驟四：獲取截面SS上任意位置的X方向變形值；步驟五：重復步驟二中（2?2）到步驟四，獲取截面SS上任意位置的Y方向變形值。步驟六：獲取截面SS上任意位置二維坐標。該方法通過采集少量離散點的光纖光柵的響應應變信號，通過有限元仿真與公式推導，能夠快速計算柔性緩沖氣囊表面典型膨脹截面S的膨脹變形。

技術領域

本發明屬于結構健康監測的領域，具體提出了一種柔性緩沖氣囊表面膨脹變形分布式光纖監測方法。

背景技術

柔性緩沖氣囊是一種著陸緩沖裝置，屬于新型柔性充氣結構，具有可折疊展開、重量輕、成本低、伸展性好等特點，作為能量衰減系統被廣泛用于航空航天回收工程、物質設備的空投保護以及人員應急保護等領域中。

柔性緩沖氣囊結構在服役過程的平穩性、精確性和可靠性直接關系到航空航天結構的服役安全、效率以及觀察精度。實時獲取柔性緩沖氣囊結構在不同內部氣壓作用下的膨脹變形可以為柔性緩沖氣囊結構在工作過程中的形態控制與健康狀況評估提供重要的依據，并且對于緩沖氣囊承載容限特性研究、性能改進具有重要意義。因此需要對柔性緩沖氣囊結構在不同內部氣壓作用下的關鍵區域變形情況進行計算。

目前，結構變形監測在航空航天領域得到廣泛關注。未來空間結構將更多的朝多功能化、多任務化方向發展，這勢必會對結構形狀傳感提出更高要求。Foss和Haugse首次提出結構變形計算的模態轉換算法。在此基礎上，P.B.Boert等對基于應變測試的模態轉換方法做了進一步研究，給出了該方法的有限元分析步驟。針對機翼變形計算，Tessler等提出逆向有限元法，基于最小二乘變分方程求解得到結構應變場和位移場之間的轉換函數。以上算法主要側重對板、機翼等剛性結構變形特征進行分析，并未涉及針對柔性充氣結構服役過程變形狀態的實時監測與計算。此外，柔性緩沖氣囊的表面為不規則弧形結構，在不同內部壓力下，囊體表面膨脹變形是非線性的，并且變形量較小，采用非接觸式測量方法很難精確捕捉到囊體表面膨脹變化。針對這些問題，本發明提出一種通過獲取柔性緩沖氣囊表面離散點應變信息來實現囊體膨脹變形監測方法。

光纖光柵傳感技術具有體積小，質量輕，成本低，易于儀器化，具有分布式測量、抗腐蝕能力強等優點正受到越來越廣泛的重視。基于上述分析，本發明提出采用分布式光纖光柵傳感器監測柔性緩沖氣囊表面關鍵節點的應變信息，推導計算柔性緩沖氣囊表面膨脹變形情況。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠用于柔性緩沖氣囊結構表面軸向截面膨脹變形光纖光柵快速計算方法。該方法通過采集少量離散點的光纖光柵傳感器的應變響應信號，通過有限元模擬結果給出柔性緩沖氣囊結構軸向截面膨脹變形計算模型。

為解決上述技術問題，本發明所述基于分布式光纖光柵的柔性緩沖氣囊結構表面關鍵區域表面膨脹變形快速計算方法，該方法不需要大量數據樣本點、過程較為簡單。包括下列步驟：

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，氣囊在不同內部氣壓下軸向變形方向為Y方向。

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，因此選擇加強帶D₁與D₂之間膨脹區域變形特征加以分析。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。