复合材料层板OFDR分布式光纤冲击判位方法研究.pdf
《复合材料层板OFDR分布式光纤冲击判位方法研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《复合材料层板OFDR分布式光纤冲击判位方法研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 43 卷第 5 期2023 年 10 月振动、测试与诊断Vol.43 No.5Oct.2023Journal of Vibration,Measurement&Diagnosis复合材料层板 OFDR分布式光纤冲击判位方法研究钟照振1,曾捷1,李艳芬2,白瑜芳1,黄继伟1,綦磊3(1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 南京,210016)(2.北京强度环境研究所 北京,100076)(3.北京卫星环境工程研究所 北京,100094)摘要 基于复合材料的航空航天器结构在服役过程中受到外界物体冲击易造成损伤,常规光纤 Bragg光栅冲击监测模式需要借助大量试验建立冲击响应样本库
2、,不仅工作量大,还会影响被测结构力学性能,甚至造成预先损伤。为此,提出了一种基于应变幅值非线性加权原理的复合材料层板结构分布式光纤冲击位置辨识方法,通过提取结构应变响应幅值作为特征量,结合无需先验样本的非线性加权原理实现冲击载荷位置辨识。借助有限元数值仿真,模拟得到冲击载荷作用下复合材料层板结构应变响应与分布特征,并根据仿真结果对该辨识方法加以验证。构建了基于高空间分辨率分布式光纤传感器的冲击监测系统,平均定位误差约为 8.44 mm。研究表明,所提方法具有便于集成、通用性强以及无需构建样本库等特点,能够为航空航天器结构健康监测、寿命评估和快速维护提供技术支撑。关键词 复合材料层板;分布式光纤
3、传感器;冲击定位;非线性加权;应变响应中图分类号 TH741;V214.8;V414.8引 言复合材料结构具有比强度大、耐疲劳性能和耐久性好等特点,已被广泛应用于航空航天领域1。航空航天器在服役过程中易受诸如鸟撞、空间碎片以及弹击等外物冲击2,特别是一些能量较小的低速冲击,虽然在物体表面未留下痕迹,但会导致复合材料结构内部出现微裂纹、分层以及纤维断裂等目视不可检损伤,这将导致其抗拉、抗压强度等力学性能下降3。因此,开展针对复合材料层板结构的冲击载荷位置辨识方法研究,对于保障飞行安全、提升维护检修效率具有重要意义。目前,国内外常用于冲击载荷位置辨识的传感器主要涉及压电传感器和光纤光栅传感器。其中
4、,压电传感器具有灵敏度高、响应快速等优点,但其需要配置大量信号传输线缆,易受电磁干扰,因此在航空航天器在轨/在役结构健康监测领域受到一定限制。光纤传感器具有抗电磁干扰、高绝缘强度、体积小、质量轻以及集信号传感与传输于一体等优点,便于构建分布式传感网络。芦吉云4利用小波包对碳纤维增强聚合物复合材料夹层结构的布拉格光栅传感器(fiber Bragg grating,简称 FBG)冲击响应信号进行特征提取,并采用支持向量机(support vector machine,简称 SVM)对冲击载荷实现定位。Pratik等5提出采用 100 kHz高速 FBG 解调仪监测冲击信号,结合样本数据库实现冲击定
5、位。上述 2 类方法均需事先采集大量冲击响应样本数据,不仅工作量大,还会影响被测结构力学性能甚至造成预先损伤。光频域反射型(optical frequency domain reflectometry,简称OFDR)光纤传感器采用波长横扫干涉仪测量背向瑞利散射,能够连续监测光纤沿线应变响应信息。目前,OFDR光纤传感器广泛应用于航空航天器结构健康监测领域。Murayama等 6 利用 OFDR技术对两个不同结构粘贴胶层的内部不均匀应力进行了测量。Ciminello等 7 采用分布式光纤传感器来记录复材加筋板受冲击下的应变,监测结构的冲击损伤。笔者采用 OFDR 光纤传感器获取复合材料层板结构应
6、变响应信息,并在此基础上提出一种基于应变幅值非线性加权原理的冲击载荷判位方法,该方法无需训练样本,具有较好的工程适用性。1 OFDR分布式光纤传感原理1.1相干探测原理OFDR 传 感 基 本 原 理 主 要 基 于 相 干 探 测 技DOI:10.16450/ki.issn.10046801.2023.05.024 南京航空航天大学高校联合创新基金资助项目(CALT201808);航空科学基金资助项目(20185644006);上海航天科技创新基金资助项目(SAST2018015);江苏省重点研发计划资助项目(BE2018047);直升机旋翼动力学国家级重点实验室基金资助项目(6142220
7、2207)收稿日期:20210122;修回日期:20210425振 动、测试与诊断第 43 卷 术8,其光路探测结构由信号光、参考光、光耦合器、混频信号、光电探测器以及拍频信号等部分组成,相干探测技术原理如图 1所示。在相干探测系统中,信号光和参考光经光耦合器后变为混频信号,混频信号经光电探测器后转化为拍频信号,其中拍频信号的频率代表了信号光和参考光的频率之差8。假设信号光与参考光的光场8分别为fS(t)=ESexp(iSt)(1)fL(t)=ELexp(iLt)(2)其中:S,L分别为信号光与参考光的频率;ES,EL分别为信号光与参考光的光强。在线性扫频情况下,拍频信号频率差的大小正比于参考
8、光与信号光的时延z,而拍频信号的幅度正比于测试光信号强度。因此,根据拍频信号的幅频特性,可以实现对于待测光纤上特征传感点的定位。假设z为传感点位置,则位置计算公式8为z=cf 2n(3)其中:c为光速;n为光纤折射率;为线性扫频速率。1.2OFDR光纤传感器应变测量原理OFDR分布式光纤利用纤芯中的高密度弱反射光纤光栅实现应变的测量,高密度弱反射光纤光栅传感器如图 2所示。当一束宽带光传输到传感器栅区时,在栅区折射率周期性作用下,只有特定波长的光信号被反射。该特定波长称之为中心波长B,中心波长取决于光栅周期与有效折射率 neff,根据模式耦合理论,反射光谱中心波长表达式为B=2neff(4)任
9、何引起光栅周期、有效折射率 neff变化的因素都可以使传感器中心波长发生偏移,正是根据这一原理,光栅传感器具有传感能力。当存在温度或者应力作用于某一光栅时,若其中心波长偏移量为,则对应的频移9为f=c 2(5)由 于 光 源 是 线 性 扫 频 光,频 移f引 入 的 时延z为z=f =c 2(6)其中:为光源线性扫频速度。由式(6)可知,求解光栅波长偏移量的关键是时延z,而通过上述信号间的互相关分析便能获得时延。因此,经式(5)可计算得到布拉格光栅波长偏移量为B=2Dc(7)光栅中心波长偏移与应变、温度的关系10为 =K+KTT(8)其中:T为温度变化量;为光纤所受应变;K为光栅应变灵敏度系
10、数;KT为光栅温度灵敏度系数。假设待测 OFDR 分布式光纤所处环境恒温,光纤仅受应力作用,由式(7)和式(8)可知,OFDR分布式光纤所测应变为=DcK(9)2 复合材料层板冲击有限元仿真2.1复合材料层板冲击有限元仿真模型采用有限元分析软件 ABAQUS 建立复合材料层板结构冲击仿真模型,如图 3所示,仿真模块选择显示动力学模块。锤头为半径 7.5 mm 的半球形锤头,锤体长为 40 mm,密度为 7.8 g/cm3,弹性模量为210 GPa,泊 松 比 为 0.3。复 合 材 料 层 板 尺 寸 为400 mm400 mm2 mm,每层铺层厚度为0.2 mm,共铺设5层,铺层形式自下而上
11、为 45/0/-45/90/45,铺层基本材料属性如表 1所示。采用四端固支图 1相干探测技术原理Fig.1Schematic of coherent detection technology图 2高密度弱反射光栅传感器示意图Fig.2Schematic diagram of high-density weak reflection grating sensors图 3复合材料层板冲击仿真模型Fig.3Impact simulation model of composite material board1006第 5 期钟照振,等:复合材料层板 OFDR分布式光纤冲击判位方法研究方式,冲击锤距
12、离复合材料层板上表面1 mm。2.2有限元仿真结果分析为探究复合材料层板在不同位置冲击作用下的应变分布与变化规律,分别选择板面 3 个代表性坐标位置作为冲击点。以复合材料层板上侧表面左下角为坐标原点 O,建立相应直角坐标系,模拟冲击点坐标如图 4所示。速度为 5 m/s时,冲击点 a和 b对应的复合材料层板表面应变响应云图如图 5 所示。由图可知,应变幅值最大处位于冲击点所在位置,且距离冲击点越远应变幅值越小。进一步对板面典型路径下不同时刻的应变响应进行分析,冲击点 a 对应的不同应变提取路径如图 6所示,冲击点 a引起的板面 AB 路径上不同时刻的应变响应曲线如图 7所示。由图 7 可以看出
13、,峰值对应的 x,y 方向坐标与冲击点 a 所在位置完全对应。在同一时刻,应变幅值沿着冲击点 a 两侧呈指数形式衰减,即冲击载荷所在位置的应变大于该路径其他位置应变。因此,可以通过测量并对比该路径上各传感点的应变响应来确定冲击点所在位置坐标。考虑到实际冲击载荷加载位置的随机性,在 x 和 y 方向布置的应变感知路径通常与冲击点存在一定距离。本研究选取冲击速度为 2.5,5 和 10 m/s 时,对于冲击点位置 a 给出提取路径 CD 上不同冲击速度对应的应变响应曲线,如图 8所示。由图可知:随着冲击速度的增大,相应路径的应变峰值逐渐增大.由于冲击点 a与路径 CD存在一定的距离,使得相应路径的
14、应变响应曲线出现较宽的应变集中区域,应变幅值也相应减小,但应变响应峰值所在坐标仍与冲击点 a所在位置基本对应。3 冲击定位原理与算法仿真验证3.1应变幅值非线性加权定位算法原理质心定位算法是一种无需测距的定位算法11,表 1铺层基本材料属性Tab.1Basic material properties of plyE1/GPa131E2/GPa8.48120.32G12/GPa3.98/(gcm-3)1.58图 4模拟冲击点位置示意图(单位:mm)Fig.4Schematic diagram of simulated impact pointlocation(unit:mm)图 5冲击点 a和
15、b应变响应分布云图Fig.5Strain response distribution of impact point a and b图 6冲击点 a对应的不同应变提取路径Fig.6Extraction diagram of different strain paths at impact point a图 7冲击点 a对应的路径 AB应变响应曲线Fig.7Strain response curve of path AB corresponding to impact point a图 8冲击点 a对应的路径 CD应变响应曲线Fig.8Strain response curve of path
16、CD corresponding to impact point a1007振 动、测试与诊断第 43 卷 仅需传感节点的位置信息。然而,质心定位算法属于一种粗精度定位算法,其精度取决于待定位点附近传感器的数量及分布情况。假设传感器节点分别为 S1,S2,Si,实际待定位点为 So,则基于传感器节点的定位预测坐标为 Se(xe,ye)xe=(x1+x2+xi)iye=(y1+y2+yi)i(10)由式(10)可知,待定位点的坐标预测仅依靠传感节点的位置信息,并未考虑传感节点所测物理量特征与待定位点坐标之间的联系12。应变响应幅值随着冲击点与传感节点距离的增大而呈现指数形式衰减13,传感器所测应
17、变越大,表明该传感器距离冲击点越近。本研究在传统质心加权定位方法基础上,提出基于应变幅值非线性加权的质心定位方法,用以提高冲击定位的精度。这里定义权函数w()i,i=1ni,m,用于表征应变i对坐标定位的贡献。权函数 w的形式为w(i,i=1ni,m)=ii=1nim=gmi (0 gi 1)(11)其中:m 为权函数 w 的加权次数;函数gi为第 i个应变值占监测区域内应变测量总值的比例函数。根据上述分析,可得到应变非线性加权质心法对应的坐标计算方法为xe=i=1nwmixii=1nwmiye=i=1nwmiyii=1nwmi(12)加权次数 m 的选择应以定位误差目标函数最小为准则。定义定
18、位误差目标函数Eall()n为 n个冲击位置预测坐标绝对值误差的平均,即Eall(n)=1ni=1nLEi()xi,yi(13)其中:LEi为第 i个冲击点预测坐标绝对误差值。3.2算法仿真验证为验证基于应变幅值非线性加权质心定位算法的可行性,随机选取 8个不同位置的代表性冲击点,各点坐标如表 2 所示。设置 2 条经过板面中心且与x,y坐标轴分别平行的应变提取路径 MN 和 PQ,模拟冲击点位置及路径提取如图 9所示。不同加权值 m 对应的定位误差平均值曲线如图 10 所示。当 m=0.1 时,各个冲击点定位误差的平均值最小;当 m 在 0.010.1 之间取值时,误差平均值变化平缓;当加权
19、值 m 在 0.110 之间取值时,误差平均值随着 m 增大而快速增加。因此,通过优化非线性加权系数可以减小定位误差。4 OFDR光纤传感器应变敏感特性4.1应变敏感特性试验系统在复合材料层板表面沿 x,y方向分别粘贴一段长度为 190 mm190 mm 的 OFDR 分布式光纤传感器,每个方向各有 30个传感节点。OFDR 分布式光纤传感器布局与加载点位置如图 11 所示,其中:1#30#为 x方向传感节点编号;31#60#为 y方向传感节点编号。在 x,y方向各等间距布置 8 个冲击加载点,相邻加载点间距为 10 mm,其中 y方向加载点距 y 方向光纤 72 mm,y 方向加载点 a 距
20、 x 方向光纤 10 mm。类 似 地,x 方 向 加 载 点 距 x 方 向 光 纤51 mm,x方向加载点 i距 y方向光纤 10 mm。表 2冲击点坐标Tab.2Impact point coordinates冲击点x/mmy/mmA163151B234268C269234D239196E196216F270160G127259H183183图 9模拟冲击点位置及路径提取示意图Fig.9Schematic diagram of simulated impact point location and path extraction图 10不同加权值 m对应的定位误差平均值曲线Fig.10A
21、verage localization error curve corresponding to different weight values m1008第 5 期钟照振,等:复合材料层板 OFDR分布式光纤冲击判位方法研究4.2OFDR光纤传感器冲击响应特性以图 11所示加载点进行冲击试验,采用不锈钢珠通过一定下落高度来模拟冲击过程。根据试验结果可得,OFDR 分布式光纤传感器内部第 18#,19#和 20#传感节点分别对应冲击加载点 ah,其应变响应变化峰值与冲击加载距离之间的关系见图 12。由图可知,当冲击能量固定时,在 07 cm 的范围内,随着冲击距离的增加,相关传感节点所测动态应
22、变响应变化峰值逐渐减小,且趋于平缓。考虑到光纤信号受噪声及漂移影响,存在约 23 波动,因此 OFDR 光纤传感器能够感受冲击响应的有效范围约在 07 cm 之间。5 复合材料层板光纤冲击定位试验5.1复合材料层板冲击定位监测试验系统复合材料层板冲击定位监测试验系统如图 13所示,主要由复合材料层板、OFDR分布式光纤传感器、光频域反射型光纤解调仪以及计算机组成。复合材料层板尺寸为 600 mm600 mm2 mm,采用PCB力锤施加冲击载荷。试验监测区域大小为 280 mm280 mm,复合材料层板表面粘贴的 OFDR 分布式光纤传感器布局形式经优化后,如图 14所示。5.2冲击定位结果分析
23、为验证应变幅值非线性加权冲击定位算法,基于分布式光纤优化布局,对复合材料层板随机施加16 次冲击。复合材料层板冲击定位结果如图 15 所示,选取了不同加权值进行定位预测。各冲击点在不同加权值下相应冲击点定位误差如图 16所示。由图 16可以看出:当加权值为 0.1时,16个冲击点的平均定位误差为 8.44 mm;加权值为 1 和 100时,平均定位误差分别为 11.79 和 14.33 mm。当加权值为 0.1时,冲击点预测的 x 坐标与 y坐标平均误差均显著小于加权值为 1和 100的定位结果,因此选图 11OFDR分布式光纤传感器布局与加载位置Fig.11Schematic diagram
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 复合材料 OFDR 分布式 光纤 冲击 方法 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。