CN102346090B - 临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台和方法。本实验平台包括一个模拟临近空间飞行器的实验模型，一台激振器，一台信号发生器，植入于实验模型的布拉格光纤光栅网络，一台光纤光栅网络分析仪，一台高性能计算机、一个显示器和一个铝合金外框固定架。利用该实验平台可以对基于光纤光栅传感网络的临近空间飞行器实验模型的结构形态变化感知与重构，以及进行可视化显示的方法和技术提供实验验证手段，并为探索临近空间飞行器结构形态变化主动监测技术方法的进一步实际应用提供基础研究支撑。

Description

临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台及方法

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅机敏结构形态感知重构与可视化的实验平台与方法，尤其针对一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台和方法。

背景技术

临近空间是指距地面20km～100 km的空域，它横跨平流层、中间层和部分热层，而临近空间飞行器特指能在该空域作持续飞行并完成一定使命的飞行器。就飞行方式和原理而言，临近空间飞行器主要包括平流层飞艇、平流层高空气球、平流层半可控浮空器、太阳能平流层飞机、平流层无人机和高超音速飞行器(HCV)等。其中，高超声速飞行器一般是指飞行速度在5 Ma 以上，使用吸气式超燃冲压发动机作为推进动力的临近空间飞行器，可以实现高速长距离持续飞行，是人们实现“空天往返”和追求“全球即时到达”理想目标的一种较为现实的选择。在军事上可用于情报搜集、通信保障、侦察监控，武器装备系统的远程战略投送，对于增强陆、海、空、天的武器装备无缝连接，扩展信息优势，提高联合作战能力，具有十分重要的应用潜力。在民用方面主要可用于环境变化和气象数据探测，交通及环境污染监控，洪水、火灾或地震等灾害监视和指挥救援，局域通信，数据传输中继，移动通信等，以及发展成为未来超高速空中交通运输平台。所以，高超声速飞行器的研究对军事战略与和平利用空间具有重大意义，它已成为目前国际航空航天领域的研究热点；目前最具代表性的研究为美国的高超声速飞行器试验（Hyper -X）计划，高超声速技术（HyTech）计划和高超声速飞行（HyFly）计划。

高超声速飞行器由于采用轻质材料，在高超声速、高速流场和高机动条件下飞行时，极易受到高速流场作用和扰动激励；各种复杂的力学过程不可能完全精确地考虑到飞行器控制模型中，飞行过程中往往又会受到各种事先无法完全预知的扰动，这些因素的共同作用极易使得飞行器产生结构变形，以及发生结构弹性振动；较低的振动变形模态频率与飞行器短周期运动频率的接近，不仅会加剧低频变形，同时在气动弹性系统处于不稳定状态下可能产生严重的低频颤振，对飞行器结构具有巨大作用性和重大破坏性。因此针对飞行器重要结构进行低频大幅振动响应的主动监测，不仅可以使飞行操作人员或地面监测人员实时了解当前飞行器的结构安全与健康运行状态，而且可以基于结构振动形态感知实施振动主动控制，以消除或抑制当前飞行器结构的危险振动状态。

高超声速飞行器涉及到的关键技术包括推进技术、材料技术、空气动力学技术、飞行控制技术和研发、试验和评估的一体化等。为了研制出满足设计要求的高超声速飞行器，前期基础性的理论方法、相关技术和实验分析等研究过程必不可少，同时工程研制还必须一体化地运用模拟和仿真、地面试验和飞行试验等手段。有鉴于此，本发明提出一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台与方法，结合国内外临近空间超高音速飞行器的研究现状，设计类似飞行器框架实验模型；研究与制作分布式光纤光栅传感阵列及其模块化检测单元，并基于非视觉传感方法将光纤光栅传感阵列正交分布式植入到实验模型纵向框架结构，以及表面分布式植入到实验模型的水平尾翼，通过获取结构变形的分布传感曲率信息并经三维空间图形拟合重构方法，得以在计算机上重建机体结构形状并实现结构形变和振动状态可视化，从而实现整体实验模型的结构形态变化和低频振动状况的主动监测。

发明内容

本发明目的是提供一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台与方法，可以对基于光纤光栅传感阵列的实验模型的结构形态变化感知与重构，以及进行可视化显示的方法和技术提供实验验证手段，并为探索飞行器结构形态变化主动监测技术方法的进一步实际应用提供基础研究支撑。

为达到上述目的，本发明的构思是：结合国内外临近空间超高音速飞行器的研究现状，设计类似飞行器框架实验模型，并在模型框架的纵向龙骨和水平机翼中分布式地植入布拉格光纤光栅传感阵列。当实验模型发生静态变形或低频振动时，通过布拉格光纤光栅传感阵列检测出各分布光栅测点的应变信息，然后转化为各分布测点的离散曲率信息，利用基于正交曲率的空间形态拟合与重构算法，并结合计算机图形处理技术，在计算机屏幕上对实验模型的结构变形或低频振动状况进行重建，进而实现实验模型的结构形变或振动形态实时可视化显示。

根据上述发明构思，本发明采用如下的技术方案和方法：

一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台，包括一个临近空间飞行器的实验模型、植入至实验模型的模块化光纤光栅检测单元和光纤光栅传感阵列组成的结构应变传感网络、一台光纤光栅网络分析仪、一台算法运行及图形处理计算机、一台显示器、一台信号发生器、一台激振器和一个铝合金外框固定架。其特征在于飞行器实验模型通过橡皮绳吊装到铝合金外框架上，激振器固定于铝合金外框架上，并通过连杆与实验模型相连接；信号发生器连接至激振器，光纤光栅检测单元和传感阵列组成的结构应变传感网络连接至光纤光栅网络分析仪，光纤光栅网络分析仪与计算机、显示器顺序连接。上述的信号发生器输出实验所需的激励信号到激振器，激励实验模型产生形变或进入低频振动状态，由光纤光栅检测单元和光纤光栅传感阵列组成的结构应变传感网络检测出模型上各分布光栅测点的应变信息，光纤光栅网络分析仪获取应变信息，并输出至计算机，计算机将获得的应变信息进行计算和处理后，将实验模型的形变状态或低频振动状况在显示器上进行实时重构和可视化显示。

上述的实验模型由一个框架结构和两个固定在框架尾部两侧的水平翼形结构构成，对光纤光栅传感阵列的布置和植入采取差异化方式，在组成实验模型框架结构的四根龙骨梁中，沿轴向对称地植入4根由布拉格光纤光栅传感阵列组成的模块化光纤光栅应变检测单元，而在两个翼形结构表面上各只布置1根光纤光栅阵列，从而构成整个实验模型的结构形变检测环节的光纤光栅传感网络。

上述的模块化光纤光栅应变检测单元进行了容错设计，每1根模块化光纤光栅应变检测单元由4根光纤光栅阵列共两组构成，每组光纤上的光栅点对呈90°正交封装于直径为1mm的圆形SMA超弹性合金丝基材轴表面，同时，实现垂直方向感知的2根光纤的光栅点，在基材轴向上成对相互错开以检测不同的点；实现水平方向感知的2根光纤的光栅点布置与此类似。

上述的模块化光纤光栅应变检测单元由4根光纤光栅传感阵列正交封装在SMA基材上而成，然后采用AB胶水表面粘贴的方式将应变检测单元植入到实验模型框架龙骨梁结构中，实现模块化植入安装工艺方法；同样采用AB胶水表面粘贴的方式，将2根光纤光栅传感阵列植入到实验模型翼形结构表面。

上述的临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台，其中，所述的计算机中安装有实现实验模型的结构形态重构与可视化显示的软件系统。

一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验方法，采用上述实验平台进行实验，其特征在于实验操作方法和步骤如下：

(1) 调整实验模型的吊装高度和位置，将激振器和实验模型结构相连接；

(2) 开启计算机、显示器与光纤光栅网络分析仪，进行结构形态重构与可视化；

(3) 实验模型的结构静态形变感知与重构的效果验证；

(4) 启动信号发生器，并设置实验所需激振信号的频率和幅值；

(5) 启动激振器，实现实验模型的结构低频振动；

(6) 实验模型的结构振动状态感知与重构的效果验证。

本发明与现有技术相比较具有如下突出实质性特点和显著优点：

（1）临近空间飞行器实验模型由一个框架结构和两个固定在框架尾部两侧的水平翼形结构构成，根据框架结构和翼形结构的振动特性差异，对光纤光栅阵列单元的布置和植入也采取差异化方式。在实验模型的框架龙骨梁上布置由4根正交方式光纤光栅传感阵列构成的模块化检测单元，而在左右两个水平机翼上各只布置由一根光纤光栅组成的检测阵列，如此可以降低系统的成本。

（2）在本发明中，对布置在实验模型框架龙骨梁中的每1根模块化光纤光栅检测单元进行了容错设计。每1根模块化光纤光栅检测单元由4根光纤光栅阵列共两组构成，每组的2根光纤上的光栅点对呈90°正交分布在SMA基材上，同时两组中实现垂直方向感知的2根光纤的光栅点，在基材轴向相互错开检测不同的点。这种交错的布局方式使得光纤光栅传感阵列的检测点数增加，在提高模型的结构形态拟合重构精度的同时，还可以提高光纤光栅传感网络的容错性能，进而提高了系统的可靠性。一旦模块化检测单元的某根光纤光栅传感阵列上的某个光栅点发生故障，由于光栅检测点呈交错分布，这样不会由于某一个光栅检测点的故障而导致整个传感网络的瘫痪，从而对整个结构应变检测产生较大的影响。

（3）在本发明中，采取先将4根光纤光栅传感阵列正交封装在SMA基材上，构成1根光纤光栅应变检测单元，该应变检测单元体积较小、精度较高，且构成1个独立模块化单元，更容易与结构基体结合形成智能结构；通过将光纤光栅应变检测单元植入到实验模型机体中，可以实现模块化植入安装工艺方法。一方面在安装时比较方便操作，另一方面，一旦发生故障或者其他原因需要拆卸或者更换检测单元时，也很容易实现，从而提高了植入效率和保险系数。同时，由于采用了分布式光纤光栅单元或阵列，容易实现光纤光栅传感网络与基体的植入和集成，且传感方式不受电磁干扰影响，大大提高了实验模型的结构形变或振动信息检测的稳定性。

（4）由于本发明是基于光纤光栅传感阵列的波分复用和空分复用特性，整个传感网络对实验模型所有测点的形变检测是以并行方式同时进行，所以可以实现整个实验模型的测点位置形变的实时检测，具有较高的实时性。

（5）由于本发明直接将光纤光栅传感网络植入到实验模型的表面，比起传统方法可以更为精确地获得实验模型的结构形态信息，并克服了传统的基于视觉形态感知的数据量过大缺点。

附图说明

图1为本发明的一个优选实施实例模型构成示意图

图2为实验模型框架梁结构的模块化光纤光栅传感检测单元布置示意图

图3为实验模型翼形结构的光纤光栅传感阵列位置示意图

图4为实验模型翼形结构的光纤光栅传感阵列尺寸示意图

图5为模块化光纤光栅检测单元制作与封装夹具装置示意图

图6为模块化检测单元的正交分布光纤光栅传感阵列示意图

图7为封装后的模块化光纤光栅检测单元结构示意图

图8为封装后的模块化光纤光栅检测单元性能检测示意图

图9为框架梁结构植入模块化光纤光栅检测单元及其某测点照片

图10为翼形结构植入光纤光栅传感阵列及其某测点照片

图11为实际翼形结构施加静态力的水平弯曲图

图12为观察获得的翼形结构静态水平弯曲重构实验效果截图

图13为实际的翼形结构施加静态力的扭曲照片图

图14为观察获得的翼形结构静态扭曲实验效果重构截图

图15为实验模型翼形结构在20Hz振动状况下的形态重构实验效果截图

图16为实验模型框架结构在20Hz振动状况下的形态重构实验效果截图

图17为实施实例所涉及包含模型与检测系统的实验平台

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施实例表达的范围。

如图1所示，本临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台包括一个模拟临近空间飞行器的实验模型①、由模块化光纤光栅检测单元②和光纤光栅传感阵列③组成的结构应变传感网络，一台光纤光栅网络分析仪④（规格型号：FONA－2008C，上海紫珊光电技术有限公司）、一台算法运行及图形处理计算机⑤、一台显示器⑥，一台信号发生器⑦、一台激振器⑧和一个铝合金外框固定架⑨。该实验平台的硬件和仪器实际构成如图17所示。

信号发生器⑦输出信号至激振器⑧，激励使得实验模型①产生形变或进入低频振动状态，模型框架结构和翼形结构的形变或振动信息由光纤光栅检测单元②和传感阵列③组成的结构应变传感网络感知，感知信号输入到光纤光栅网络分析仪④，实现实验模型分布测点处应变信息的获取，光纤光栅网络分析仪④的输出数据信号连接到计算机⑤，由计算机⑤进行算法运算和图形处理，然后在所述的显示器⑥上显示出来，从而实现实验模型的结构形变状态或振动形态的实时感知重构与可视化显现。

本实施实例针对临近空间飞行器实验模型，进行模型结构形态感知重构与可视化实验验证，具体模型结构安装与实验步骤如下：

（1）选用宽320mm、宽480mm、长1600mm、高230mm（梯形体）的铝合金，构建临近空间飞行器实验模型①的框架结构；选用各边为225mm、160mm、380mm和195mm、厚1mm（梯形体）的环氧树脂板材料，构建实验模型①的翼形结构。框架结构和翼形结构通过螺丝固定；选用铝合金材料构建外框固定架⑨。

（2）使用橡皮绳将飞行器实验模型①水平吊装到铝合金外框架⑨上，将信号发生器⑦和激振器⑧相连接，然后将激振器⑧固定于铝合金外框架⑨上，并通过激振器连杆与实验模型①相连接。

（3）调节信号发生器⑦输出所需激励信号至激振器⑧，使得实验模型①产生低频振动响应，测试模型的实际低频模态频率和振型状态，同时基于有限元分析软件ANSYS对实验模型进行模态分析，确定实验模型的低阶振型与模态分布，在此基础上确定光纤光栅传感网络的优化布置方案。

（4）制作适用于植入实验模型框架结构的模块化光纤光栅检测单元②，以及适用于翼形结构的光纤光栅传感阵列③。

（5）依据光纤光栅传感网络的优化布置方案，分别将4根模块化光纤光栅检测单元植入至实验模型框架结构，以及将2根光纤光栅传感阵列植入至实验模型的水平翼形结构中。具体植入方式为采用AB胶水进行表面粘贴。

（6）启动各相关仪器，基于所开发的结构形态重构与可视化软件系统，进行实验模型的静态变形和低频振动形态实时感知、重构与可视化显示实验验证。

本优选实例模型结构安装与实验步骤（3）中，光纤光栅传感网络的光栅点布局优化方案设计，需要综合考虑实验模型的有限元分析结果和光纤光栅网络分析仪④的特性，该分析仪能够测量的波长范围为1530~1570nm；在分析缓冲区大小和仪器检测范围后，确定每根光纤光栅上最多可布置8个光栅测点，实际确定的光栅点布局方案如图2、图3和图4所示。其中图2所示，适用于植入实验模型框架结构的模块化光纤光栅检测单元，其每个光纤光栅传感阵列由8个光栅测点构成，中心波长分别为1532nm、1537 nm、1542 nm、1547 nm、1552 nm、1557nm、1562 nm、1567 nm；图3所示，适用于植入实验模型翼形结构的光纤光栅传感阵列由7个光栅测点（图中P1～P7表示光栅测点，P为接入点）构成，中心波长分别为1535 nm、1540 nm、1545 nm、1550 nm、1555 nm、1560 nm、1565 nm；图4所示，为适用于植入实验模型翼形结构的光纤光栅传感阵列7个光栅测点的尺寸示意图。

本优选实例模型结构安装与实验步骤（4）中，将4根布拉格光纤光栅传感阵列正交封装于直径为1mm的圆形SMA超弹性合金丝基材轴向表面，开发一套能完成大长度光纤光栅传感阵列封装的夹具装置进行封装，封装后构成模块化光纤光栅检测单元。其中，封装夹具装置如图5所示，图中1为第一段底座、2为第二段底座、3为第三段底座、4为夹紧装置、5为收紧装置、6为超弹性SMA合金丝基材。为保证检测系统具有较高的容错能力和降低模块化检测单元的制作工艺要求，制作过程中将4根光纤光栅传感阵列分为2组，如图5所示的                                               

、

为1组，、

为1组，其中每组2根光纤光栅采用正交布置，即分别实现水平方向和垂直方向的测量。同时，分属2组实现垂直测量的2根光纤光栅（如图6的

、

）共有8个光栅测点（每根光纤光栅有4个光栅测点），在基材轴向上相互错开以交替方式布置；水平方向2根光纤光栅传感阵列（如图6的

，）布置方式与垂直方向类似。

为了提高光纤光栅传感器的抗拉性能，保证光纤光栅与基材结合牢固，需要对基材进行预压、清洁处理。同时，为了保证各成对的光栅点正交配对，在穿插光纤之前需要进行光栅点的标记、正交定位等步骤，然后用胶水将每一个光栅点固定在基材表面，待胶水凝固之后，利用外套塑管将所得到的整根光纤光栅传感阵列进行整体封装，封装后的模块化光纤光栅检测单元结构示意如图7所示，其实物照片如图8所示。

在制作4根模块化光纤光栅检测单元的基础上，需对每个检测单元进行光栅测点在相互垂直两个平面上的曲率数据标定，从而获得不同的标准曲率半径下各光栅测点的中心波长变化值，然后对标定数据进行处理，最终获得各光栅测点波长变化与曲率的关系系数。

本优选实例模型结构安装与实验步骤（5）中，图9为实验模型框架梁结构植入模块化光纤光栅检测单元及其某测点图，图10为翼形结构植入光纤光栅传感阵列及其某测点图。

本优选实例模型结构安装与实验步骤（6）中，实验过程包括实验模型的静态形变和振动状态的感知重构效果验证。翼形结构验证弯曲和扭转的静态形变重构效果，以及振动状况的动态重构效果，其具体实验方法与过程如下：

l        开启计算机⑤和显示器⑥，启动光纤光栅网络分析仪④，运行结构形态重构与可视化软件系统，使相关实验软硬件环境处于工作状态；

l        分别施加静态力矩于实验模型①的翼形结构，使其产生弯曲或扭曲的静态变形，此时光纤光栅传感阵列③检测翼形结构形变，光纤光栅网络分析仪④采集结构形变信息，并通过计算机⑤和软件系统进行算法运行，从而实现在显示器⑥上的可视化显示；

l        翼形结构的弯曲和扭曲静态形变，其实际状况和实验重构效果，如图11、图12、图13和图14所示。

由于实验模型的框架结构难以产生较大幅度的静态形变，对其着重进行低频振动形态的动态重构效果验证，其具体实验步骤如下：

l        开启计算机⑤和显示器⑥，启动光纤光栅网络分析仪④，运行结构形态重构与可视化软件系统，使相关实验软硬件环境处于工作状态；

l        调节信号发生器⑦，设置其输出频率为20Hz（实验模型结构的某阶振动模态频率），输出幅值设为2V；信号发生器信号输出激励信号于激振器⑧，激励实验模型①产生振动响应；光纤光栅检测单元②和传感阵列③获取实验模型①的振动信息，光纤光栅网络分析仪④采集实验模型的振动响应信息，并通过计算机⑤和软件系统进行算法运行，从而实现在显示器⑥上的动态可视化显示；

实验模型①的框架结构和翼形结构的振动状况重构效果截图，如图15和图16所示。

Claims (5)

1.一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台，包括一个临近空间飞行器的实验模型(1)、植入至实验模型(1)的模块化光纤光栅检测单元(2)和光纤光栅传感阵列(3)组成的结构应变传感网络、一台光纤光栅网络分析仪(4)、一台算法运行及图形处理计算机(5)、一台显示器(6)、一台信号发生器(7)、一台激振器(8)和一个铝合金外框固定架(9)，其特征在于飞行器实验模型(1)通过橡皮绳吊装到铝合金外框架(9)上，所述的信号发生器(7)连接至激振器(8)，激振器(8)固定于铝合金外框架(9)上，并通过连杆与实验模型(1)相连接，所述的模块化光纤光栅检测单元(2)和光纤光栅传感阵列(3)组成的结构应变传感网络连接至光纤光栅网络分析仪(4)，光纤光栅网络分析仪(4)与计算机(5)、显示器(6)顺序连接；所述的信号发生器(7)输出实验所需的激励信号到激振器(8)，激励实验模型(1)产生形变或进入低频振动状态，由模块化光纤光栅检测单元(2)和光纤光栅传感阵列(3)组成的结构应变传感网络检测出实验模型(1)上各分布光栅测点的应变信息，光纤光栅网络分析仪(4)获取应变信息，并输出至计算机(5)，计算机(5)将获取的应变信息进行计算处理后，将实验模型的形变状态或低频振动状况在显示器(6)上进行实时重构和可视化显示。

2.  根据权利要求1所述的临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台，其特征在于：所述的实验模型(1)由一个框架结构和两个固定在框架尾部两侧的水平翼形结构构成，对光纤光栅阵列(3)的布置和植入采取差异化方式，在组成实验模型框架结构的四根龙骨梁中，沿轴向对称地植入4根由布拉格光纤光栅阵列组成的模块化光纤光栅检测单元(2)，而在两个翼形结构表面上各只布置1根光纤光栅传感阵列(3)，从而构成整个实验模型(1)的结构形变检测环节的光纤光栅传感网络。

3.  根据权利要求1所述的临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台，其特征在于所述模块化光纤光栅检测单元(2)的结构为：对布置在实验模型(1)框架龙骨梁结构中的每1根模块化光纤光栅检测单元(2)进行了容错设计，每1根模块化光纤光栅检测单元由4根光纤光栅阵列分成两组构成，每组的2根光纤上的光栅点对呈90°正交封装于直径为1mm的圆形SMA超弹性合金丝基材轴表面，同时，实现垂直方向感知的2根光纤的光栅点，在基材轴向上成对相互错开以检测不同的点；实现水平方向感知的2根光纤的光栅点布置与此相同。

4.  根据权利要求1所述的临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台，其特征在于：每4根光纤光栅阵列正交封装在SMA基材上，构成1个模块化光纤光栅检测单元(2)，然后采用AB胶水表面粘贴的方式将模块化光纤光栅检测单元(2)植入到实验模型(1)框架龙骨梁结构中，实现模块化植入；同样采用AB胶水表面粘贴的方式，将2根光纤光栅传感阵列(3)植入到实验模型(1)翼形结构表面。

5.  一种临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验方法，采用根据权利要求1所述的临近空间飞行器模型的结构形态感知重构实验平台进行实验，其特征在于实验操作方法和步骤如下：

（1）调整实验模型(1)的吊装高度和位置，将激振器(8)和实验模型(1)结构相连接；

（2）开启计算机(5)、显示器(6)与光纤光栅网络分析仪(4)，进行结构形态重构与可视化；

（3）实验模型(1)的结构静态形变感知与重构的效果验证；

（4）启动信号发生器(7)，并设置实验所需激振信号的频率和幅值；

（5）启动激振器(8)，实现实验模型(1)的结构低频振动；

（6）实验模型(1)的结构振动状态感知与重构的效果验证。

Images