基于光纤光栅传感的蜂窝结构脱胶故障检测研究

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蜂窝结构作为一种兼具强度高、质量轻、抗噪声、抗振动等特点的复合材料结构,被广泛应用于航空航天,船舶,建筑等领域。板芯层间位置作为蜂窝结构最为薄弱的部位,易产生面-芯脱胶损伤从而影响蜂窝结构的整体强度。因此,脱胶的在线检测对于蜂窝结构至关重要,可提高蜂窝结构运行过程中的可靠性和安全性。本文首先通过对蜂窝结构脱胶故障机理研究,建立了蜂窝结构健康状态与局部脱胶损伤状态下的动力学模型,揭示了局部脱胶导致的系统动态特性变化规律。然后,利用光纤光栅传感网络对蜂窝结构表面应变进行监测,并通过运行模态识别方法获取相应应变模态振型,基于多阶应变模态振型结合数据融合理论提出了能有效表征脱胶损伤的指标。最后,通过仿真与实验验证了脱胶故障机理模型与脱胶检测方法的正确性。主要的工作可以总结如下:(1)根据蜂窝结构等效理论,推导了基于Hoff理论的蜂窝结构等效参数,并利用系统动力学建模对等效蜂窝梁的模态参数进行了求解;通过对脱胶故障机理进行分析,并将结果引入欧拉-伯努利方程,从而建立了损伤态蜂窝梁动力学模型。采用摄动理论对损伤状态动力学模型进行解析求解,获取了损伤状态下的振型、固有频率等模态参数。基于该模型分析了健康状态和脱胶状态下的模态应变变化规律,得到了模态应变能有效表征蜂窝结构脱胶的结论,并结合有限元仿真模型进一步验证了该模型的正确性。(2)为了解决传统指标在噪声环境下难以对损伤位置进行准确判断的问题,本文提出了一种基于D-S证据理论的新型应变模态振型变化融合指标(SMSCF),对噪声环境下脱胶损伤进行有效定位,并采用有限元仿真验证了所提指标的抗噪性。在模态应变提取方面,研究了运行模态应变识别方法,实现对蜂窝结构运行状态下的模态应变识别,使得利用所提检测方法与指标进行脱胶在线检测成为了可能。(3)在传感手段方面,本文构建了蜂窝结构的光纤光栅传感网络,依此搭建了蜂窝结构模态分析与脱胶损伤测试平台。在此平台下,首先对蜂窝结构进行了实验模态分析及运行模态分析,通过两者对比结果分析,验证了运行模态识别方法在模拟环境激励下具有良好的识别性能。最后,开展了蜂窝结构脱胶检测实验,对单点脱胶/多点脱胶损伤工况进行了检测,结果表明本文所提检测方法与指标的正确性和抗噪性。
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