【摘 要】
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铝合金板结构是航空航天装备制造领域广泛应用的典型结构,具有材质轻、比强度高、耐腐蚀、加工和成型好的优点。然而,铝合金板结构在服役过程中,由于受到长期交变载荷和异物冲击的影响,结构容易发生变形甚至失效,严重影响了航空航天器的安全性和使用寿命,因此,实时监测板状结构的形状变化并及时做出应对具有重要意义。光纤光栅（FBG）传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀和可构建准分布式传感网络的优点,已成为结构健康监测
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铝合金板结构是航空航天装备制造领域广泛应用的典型结构,具有材质轻、比强度高、耐腐蚀、加工和成型好的优点。然而,铝合金板结构在服役过程中,由于受到长期交变载荷和异物冲击的影响,结构容易发生变形甚至失效,严重影响了航空航天器的安全性和使用寿命,因此,实时监测板状结构的形状变化并及时做出应对具有重要意义。光纤光栅（FBG）传感器具有体积小、重量轻、耐腐蚀和可构建准分布式传感网络的优点,已成为结构健康监测领域重要的信息获取技术。本文基于FBG传感技术,提出了一种板结构三维形状传感与重构技术,实现了铝合金平板结构的实时应变感知与变形监测。本文研究内容主要包括以下几个方面。（1）板状结构空间三维形状重构原理及方法研究。首先,研究了结构发生变形时曲面微元段曲率与应变的映射关系,进而通过结构表面的应变信息获得离散曲率信息;然后,提出了基于双立方平面插值法的曲率连续化方法,通过有限的离散曲率信息获得连续的曲率信息;最后,研究了坐标变换理论,以模拟卫星舱壁板状结构为研究对象,提出了基于正交曲率和坐标变换的结构三维空间形状重构算法,构建了柱面和山丘曲面仿真模型,开展了仿真实验研究,实验结果表明基于双立方插值法和坐标变换的空间重构算法能够较好的预测结构变形形状。（2）光纤光栅应变感知技术与传感网络优化布局方法研究。首先,讨论了应用于结构应变检测的FBG传感理论和光纤光栅复用技术,根据FBG传感器的基本参数和光纤光栅解调仪的技术指标,研究了光纤传感网络的配置问题;然后,利用Abaqus软件对铝合金四边固支板状结构进行有限元分析,获取低阶模态的应变分布和位移分布,基于模态叠加原理获得结构整体应变分布;最后,根据重构算法的特点和结构整体模态信息构造了传感器优化布局的目标函数,基于粒子群算法仿真出传感器优化布局方案,与传感器平均分布方案比较,基于粒子群算法的传感器优化布局方案性能良好。（3）基于FBG传感网络的模拟卫星舱壁结构变形监测系统设计与搭建。首先,开展了实验系统的硬件平台设计与搭建,包括FBG传感器阵列配置及安装、检验点阵列分布设计、电机加载位置设计、波长解调系统搭建等;然后,针对系统软件功能需求,利用Lab VIEW和MATLAB等软件平台开发了结构信息采集模块、变形重构算法模块、用户可视化界面模块等软件,实现了板状结构变形形状的可视化。（4）模拟卫星舱壁结构变形监测实验研究。首先,基于所搭建的模拟卫星舱壁结构变形监测系统,设计了加载条件与实验流程;然后,在不同加载条件下进行多次实验,采集结构应变信息,利用所提出的基于坐标变换的三维空间重构算法,获取结构曲面三维变形位移信息,对比结构变形的真实位移值,评价重构算法的性能。实验结果表明,本文所设计的基于粒子群算法的传感器优化布局方案效果较好,提出的基于双立方插值法和坐标变换的空间重构算法能够较准确的重构结构的变形曲面。本文面向四边固支铝合金板结构的变形监测需求,设计了基于粒子群智能算法的FBG传感器优化布局方法,提出了基于双立方插值法和坐标变换法的三维空间重构算法,实现了板结构的应变感知与变形重构的目标,具有良好的工程应用发展前景。
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