CN103049608A - 基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统及方法，属于板壳结构监测技术领域。所述系统包括：用于测量板壳结构应变值的传感器、数据处理器、计算机。所述方法首先建立加载点坐标与对应应变极值坐标的映射关系；接着沿板壳结构边缘均匀布局传感器，测量待判位加载点对应应变极值坐标；然后需找距离待判位加载点对应应变极值坐标最小的样本加载节点；最后根据反距离加权差值法计算得到待判位加载点坐标。本发明所述系统具有结构简单，传感器布局简单的优点。本发明所述方法通过采集应变极值坐标，简化了加载点判位方法；对不同材料参数的结构具有通用性。

Description

基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统及方法

技术领域

本发明公开了基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统及方法，属于板壳结构监测技术领域。

背景技术

板壳类结构是飞机中一种重要的典型结构，南京航空航天大学陆观等人的研究成果显示，传感网络信号的有效性和传感网络覆盖位置的正确性依赖于传感网络敏感区的分布，首先需要对整体的结构状态特征进行分析，采用与结构相匹配的算法，优化得到传感器的分布。此外，针对传感器分布常用的构建方法包括有效独立、Guvan模型缩减法。有效独立法从所有可能测点出发，利用复模态矩阵的幂等型，计算有效独立向量，按照目标模态矩阵独立性排序，删除对其秩贡献最小的自由度，从而优化Fisher信息阵而使感兴趣的模态向量尽可能保持线性无关。Guyan模型缩减法也是一种常用的测点选择方法，通过刚度(静力缩减)或质量(动力缩减)子矩阵构成的转换矩阵，可以把那些对模态反应起主要作用的自由度保留下来作为测点的位置。以上传感器分布方法都要对结构整体先进行分析研究，在此基础上优化得到传感器的分布，确定实验系统。

飞机在工作环境中由于承受多各种形式载荷共同作用，板壳类结构会产生不可以预见的损伤。由于飞行任务模式中强过载和加载形式日趋复杂化，容易造成结构强度失效，如复合材料板会造成板结构内部纤维断裂，金属结构会造成局部屈服变形，使得飞机典型承载部件如机体、机翼力学性能大幅下降，直接危及飞行安全。因此必须及时获取载荷加载信息，从而为结构健康状态准确评估和视情维修提供可靠依据。

结构损伤识别的方法主要有：模式匹配法、敏感因子法、模型修正法和参数识别法。由于基于结构静力响应的损伤识别具有稳定性高、数据处理简单的优点，使得目前针对结构静力响应特性的研究逐渐增加。

传统板壳结构载荷加载点判位方法对传感器布置缺少统一的布置规则，因此采用不同布置方法时，传感器测量到的应变/应力数值也不相同。，因此需要以从实际目标结构获取基于样本加载节点的先验结构响应数据作为静载判位的参考基准，根据先验数据布局传感器，这在一定程度上使得判位方法只适用于特定结构，对不同形状的结构需要重新设计传感器测点位置，并再次获取先验数据。随着实际监测场合和承载形式日趋复杂多变，不仅难以直接获取这些实测数据，而且还会使得相关传感器网络配置形式难以确定。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统及方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统，包括：用于测量板壳结构应变值的传感器、数据处理器、计算机；其中，所述数据处理器输入端与用于测量板桥结构应变值的传感器，输出端与计算机连接。

所述基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统中，用于测量板壳结构应变值的传感器为光纤布拉格光栅传感器，所述数据处理器为光栅解调仪。

所述基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统中，计算机中安装有MATLAB软件，通过MATLAB的定位程序对数据处理器的输出值进行处理。

基于约束边应变极值坐标的载荷辨识方法，使用权利要求1或2或3所述的利用约束边应变极值坐标判定载荷加载点的系统实现，具体包括如下步骤：

步骤1，以板壳结构上的一点为原点建立二维坐标系，建立加载点坐标与对应应变极值坐标的映射关系；

步骤2，在所述板壳结构上布局用于测量板壳结构应变值的传感器：沿板壳结构约束边均匀布置传感器，所述传感器粘贴方向与约束边垂直；

步骤3，对加载点加载载荷，根据按照步骤2所述方式布局的传感器的响应数据，对步骤1确定的映射关系反演得到加载点目标。

所述基于约束边应变极值坐标的载荷辨识方法中，步骤1中建立载荷加载点坐标与应变极值坐标的映射关系的具体方法如下：

步骤A，在板壳结构上取n个样本加载节点，在第k个样本加载节点上加载载荷，利用有限元仿真方法得到第k个样本加载节点对应的应变极值坐标；其中，n为自然数，k为小于n的自然数；

步骤B，构建由每个样本加载节点坐标及其相应应变极值坐标组成的矩阵，并建立样本加载节点坐标及其相应应变极值坐标间映射关系。

所述基于约束边应变极值坐标的载荷辨识方法中，步骤3的具体实施方式如下：

步骤a，对待判位加载点加载载荷，记录传感器的响应数据，根据传感器响应数据得到待判位加载点的应变极值坐标；

步骤b，寻找距离待判位加载点对应应变极值坐标最近的i个样本加载节点对应应变极值坐标，计算待判位加载点对应应变极值坐标与i个样本加载节点对应应变极值坐标的距离d_i，i为小于n的自然数；

步骤c，利用步骤a所述的i个样本加载节点对应应变极值坐标，反演步骤1得到的影射关系，得到i个样本加载节点加载坐标(x_i,y_i)；利用反距离加权插值法确定待判位加载点坐标(x₀,y₀)。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明所述系统具有结构简单，传感器布局简单的优点。本发明所述方法通过采集应变极值坐标，简化了加载点判位方法；对不同材料参数的结构具有通用性。

附图说明

图1是板结构应变坐标与加载坐标示意图。

图2是本发明判位流程图。

图3是本发明方法静载识别系统构成示意图。

图4是反距离加权法示意图。

图5是各向同性铝合金四边固支板加载后约束边y方向应变图。

图6是各向异性复合材料碳纤维四边固支板加载后约束边y方向应变图。

图7是各向同性铝合金四边固支板不同泊松比对应的x方向应变坐标。

图8是各向同性铝合金四边固支板不同弹性模量对应的x方向应变坐标。

图9是各向异性复合材料碳纤维四边固支板不同泊松比对应的x方向应变坐标。

图10是各向异性复合材料碳纤维四边固支板不同弹性模量对应的x方向应变坐标。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统及方法如图3所示，包括FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅）传感器、Si425光栅解调仪、计算机。Si425光栅解调仪输入端与用于测量板桥结构应变值的传感器，输出端与计算机连接。Si425光栅解调仪将FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅）传感器测得的应变值转换为板壳结构应变极值坐标。根据光栅解调仪分析得到的应力极值坐标，在MATLAB编写计算加载点位置坐标的程序，利用程序计算得到加载点位置坐标。

如图1所示，载荷实际加载点为图中(x，y)处，称为加载坐标。a为加载后，板AB边负应变极值处对应的x方向坐标，但实际测量时，传感器无法布置在约束边上，因此以图中EF线上应变数值代替AB边应变数值作为实际测量数据。同理，b表示AD边负应变极值处的y方向坐标。由此可组合构成新的坐标(a，b)，该坐标表示加载点(x，y)所对应的应变极值坐标。

如图2所示，对各向同性铝合金四边固支板（试件长×宽×厚为1200×1200×2mm）以及各向异性复合材料碳纤维四边固支板（试件长×宽×厚为540×540×2.54mm）辨识载荷点，包括如下步骤：

步骤1，以板壳结构上的A点为原点建立二维坐标系，建立加载点坐标与对应应变极值坐标的映射关系f；建立载荷加载点坐标与应变极值坐标的映射关系f的具体方法如下：

步骤A，在板壳结构上取n个样本加载节点，在第k个样本加载节点上加载载荷，利用有限元仿真方法得到第k个样本加载节点对应的应变极值坐标(a_k,b_k)；其中，n为自然数，k为小于n的自然数；

步骤B，构建由每个样本加载节点坐标及其相应应变极值坐标组成的矩阵，并通过矩阵运算建立样本加载节点坐标及其相应应变极值坐标间映射关系f：

(a_k,b_k)=f(x_k,y_k)。

步骤2，如图3所示，在所述板壳结构上布局FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅）传感器：在x轴对应板壳结构约束边（AB边）上、y轴对应板桥结构约束边（AD边）上均匀布置4个FBG传感器，FBG传感器粘贴方向与约束边垂直(由于FBG传感器是有方向性的，且在仿真分析中与实际测量中均得出FBG传感器粘贴方向应与约束边垂直)。x轴对应板壳结构约束边（AB边）上的4个FBG传感器串联后将数据传输至Si425光栅解调仪，y轴对应板桥结构约束边（AD边）上的4个FBG传感器串联后将数据传输至Si425光栅解调仪，计算机根据Si425光栅解调仪的处理结果得到加载点对应应变力极值坐标。此外，其它用于测量板壳结构应变值的传感器都适用于本发明。图5所示各向同性铝合金四边固支板AB边应变分布与x轴坐标的关系，图6是碳纤维板AB应变分布与x轴坐标的关系。边可得应变分布存在单峰性。

步骤3，对加载点加载载荷，根据按照步骤2所述方式布局的FBG传感器的响应数据，对步骤1确定的映射关系反演得到加载点目标，具体实施方式如下：

步骤a，对待判位加载点加载载荷，记录传感器的响应数据，根据传感器响应数据得到待判位加载点的应变极值坐标(a₀,b₀)：根据x轴对应板壳结构约束边（AB边）上、y轴对应板桥结构约束边（AD边）上的四个传感器数据使用三次多项式插值，通过拟合的方法计算出待判位加载点的应变极值坐标(a₀,b₀)。

步骤b，寻找距离待判位加载点对应应变极值坐标(a₀,b₀)最近的4个样本加载节点对应应变极值坐标(a_i,b_i)，计算待判位加载点对应应变极值坐标(a₀,b₀)与4个样本加载节点对应应变极值坐标(a_i,b_i)的距离d_i，i=1,2,3,4；

$d_i=\sqrt{{(a_0-a_i)}^2+{(b_0-b_i)}^2}---\left(1\right)$

式(1)中，d_i为第i个样本加载节点的应变坐标(a_i,b_i)与待判位加载点的应变极值坐标(a₀,b₀)之间的距离。

步骤c，利用步骤a所述的4个样本加载节点对应应变极值坐标(a_i,b_i)，反演步骤1得到的影射关系，得到4个样本加载节点加载坐标(x_i,y_i)；利用反距离加权插值法确定待判位加载点坐标(x₀,y₀)；其中，i为小于n的自然数：

反距离加权插值法公式是：

$(x_0,y_0)=\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1/d_i}{\mathrm{\Σ}1/d_i}(x_i,y_i)---\left(2\right)$

式(2)中，(x_i,y_i)为四个样本加载节点坐标，

为4个样本加载节点中一个样本节点分。

距离越小表示待判位加载点与已知样本加载节点距离越近，选取距离最近的4个节点，按距离的反比分配权重，根据公式(2)计算实际加载坐标(x₀,y₀)。

图7是各向同性铝合金四边固支板不同泊松比μ对应的x方向应变坐标。图8是各向同性铝合金四边固支板不同弹性模量E对应的x方向应变坐标。图9是各向异性复合材料碳纤维四边固支板不同泊松比PRYZ对应的x方向应变坐标。图10是各向异性复合材料碳纤维四边固支板不同弹性模量MOEX对应的x方向应变坐标。从图中可以看出在结构参数（泊松比、弹性模量）改变较大的时候，测试的板壳结构各点应变值大小会发生改变，但是应变极值对应的坐标基本没有变化。可见，利用本发明所述方法判位同形状不同材料的板壳结构载荷加载点时，应变坐标与加载坐标之间的映射f保持不变。

综上所述，本发明通过采集应变极值坐标，简化了加载点判位方法；对不同材料参数的结构具有通用性。

Claims (6)

1.基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统，其特征在于包括：用于测量板壳结构应变值的传感器、数据处理器、计算机；其中，所述数据处理器输入端与用于测量板桥结构应变值的传感器，输出端与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统，其特征在于所述用于测量板壳结构应变值的传感器为光纤布拉格光栅传感器，所述数据处理器为光栅解调仪。

3.根据权利要求1或2所述的基于约束边应变极值坐标的载荷辨识系统，其特征在于计算机中安装有MATLAB软件，通过MATLAB的定位程序对数据处理器的输出值进行处理。

4.基于约束边应变极值坐标的载荷辨识方法，其特征在于使用权利要求1或2或3所述的利用约束边应变极值坐标判定载荷加载点的系统实现，具体包括如下步骤：

步骤1，以板壳结构上的一点为原点建立二维坐标系，建立加载点坐标与对应应变极值坐标的映射关系；

步骤2，在所述板壳结构上布局用于测量板壳结构应变值的传感器：沿板壳结构约束边均匀布置传感器，所述传感器粘贴方向与约束边垂直；

步骤3，对加载点加载载荷，根据按照步骤2所述方式布局的传感器的响应数据，对步骤1确定的映射关系反演得到加载点目标。

5.根据权利要求4所述的基于约束边应变极值坐标的载荷辨识方法，其特征在于所述步骤1中建立载荷加载点坐标与应变极值坐标的映射关系的具体方法如下：

步骤A，在板壳结构上取n个样本加载节点，在第k个样本加载节点上加载载荷，利用有限元仿真方法得到第k个样本加载节点对应的应变极值坐标；其中，n为自然数，k为小于n的自然数；

步骤B，构建由每个样本加载节点坐标及其相应应变极值坐标组成的矩阵，并建立样本加载节点坐标及其相应应变极值坐标间映射关系。

6.根据权利要求4或5所述的基于约束边应变极值坐标的载荷辨识方法，其特征在于所述步骤3的具体实施方式如下：

步骤a，对待判位加载点加载载荷，记录传感器的响应数据，根据传感器响应数据得到待判位加载点的应变极值坐标；

步骤b，寻找距离待判位加载点对应应变极值坐标最近的i个样本加载节点对应应变极值坐标，计算待判位加载点对应应变极值坐标与i个样本加载节点对应应变极值坐标的距离d_i，i为小于n的自然数；

步骤c，利用步骤a所述的i个样本加载节点对应应变极值坐标，反演步骤1得到的影射关系，得到i个样本加载节点加载坐标(x_i,y_i)；利用反距离加权插值法确定待判位加载点坐标(x₀,y₀)。

Images