基于FBG传感器和卷积神经网络的复合材料结构载荷识别研究

复合材料因其优异的性能被广泛应用于飞行器结构(如飞机机翼)中,对作用在复合材料上的载荷进行识别为飞行器的结构设计和可靠性分析提供了重要的保证,在结构的工程应用中具有很高的价值。本工作研究了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器和卷积神经网络(CNN)的多点复杂载荷识别方法。在复合材料悬臂梁上布设FBG传感器,利用FBG实际测量得到的应变数据,首先通过支持向量机(SVM)算法对施加载荷的个数进行识别。进一步根据测点排列顺序,再将应变数据转化成矩形图片,经过归一化处理后输入CNN中,实现同时施加多个载荷时载荷的定位和定量,并与反向传播神经网络(BPNN)和梯度提升决策树(GBDT)的预测结果对比。SVM模型识别准确率为99.584%,CNN模型对两点载荷施加位置预测的平均绝对误差(MAE)分别为0.637 9 mm和0.576 2 mm。结果表明,基于SVM和CNN的多点载荷识别方法是一种有效的方法,可以稳定、准确地识别载荷个数、载荷施加的位置和大小,为飞行器飞行载荷测量提供新的解决方案。     

光纤布拉格传感器兰姆波检测的反射谱分析

传统的兰姆波多采用压电陶瓷换能器激发和接收。建立了新的超声兰姆波无损检测系统,其基本思想是采用布拉格光纤传感器作为兰姆波的接收器。光纤光栅传感的基本原理是通过检测光栅反射的中心波长移动实现对外界参量如超声的测量。超声作用下光纤光栅的反射谱发生变化,对超声作用下光纤光栅的反射谱变化进行了数值分析,结果表明,超声对光栅反射谱的影响与超声波长与光栅长度的比值是高度相关的。只有当这个比值相当大时,反射谱的形状才不会变化而中心波长发生偏移,此时光纤传感器可用来探测兰姆波。这个结论为利用新的兰姆波无损检测系统在布拉格光栅长度的设计和兰姆波波长的选择方面提供了有用的工具。     

取样光纤布拉格光栅特性的研究

用传输矩阵法从理论上计算了取样光纤布拉格光栅的反射谱特性。这种方法将光栅视为多层均匀薄膜的叠加,利用每一层的传输矩阵相乘获得了光栅的反射谱特性。研究表明,随着光栅长度的增加和采样率、折射率调制深度的减少,反射峰的均匀性得到了改善,旁瓣的反射率变小,带宽明显变窄,而反射峰间隔保持不变。反射峰的间隔由光栅周期决定,与采样率无关,而某些文献则要求采样率小于10%。这与频谱分析所得结论相吻合。     

光子晶体光纤光栅反射谱及时延特性研究

利用多极法对包层空气孔为正六边形对称结构光子晶体光纤的模式场进行了分析,计算出不同波长下基模的有效折射率,结合使用模式耦合理论和传输矩阵法对基于光子晶体光纤的布拉格光栅特性进行了计算和仿真,对比了常规单模光纤所成光栅与相同光栅周期的光子晶体光纤布拉格光栅反射谱及时延特性之间的差异.在此基础上,对光纤光栅的切趾特性进行了研究,选择不同的切趾函数,得出最佳切趾函数下光栅传输谱.理论计算和仿真结果表明,随波长增加,基模有效折射率下降,光栅谐振波长出现蓝移,采用啁啾化处理后,10 cm长光子晶体光纤光栅可以提供1 200 ps以上的线性时延.     

基于遗传算法的光纤光栅横向均匀受压谱型识别技术的研究

采用遗传算法对光纤光栅横向均匀受压的谱型识别技术进行了研究,建立了系统的优化数学模型,确定了对应的目标函数,分析了种群规模、进化代数、交叉率、变异率等参数选值对算法运行结果的影响,并选取了算法的运行参数组合。构建了光纤光栅横向均匀受压传感系统,完成了相关的仿真与实验。结果表明,用遗传算法实现的光纤光栅横向均匀受力系统应力测量的实验精度可达到0.86%。     

基于FBG应变监测的环氧树脂固化收缩及工艺参数优化

采用布拉格光纤光栅（FBG）传感器,对一种典型液态成型环氧树脂在不同固化工艺以及后固化过程中的温度及应变进行了实时在线监测。通过将树脂内部应变变化转化为树脂线性体积变化,得到不同工艺过程中树脂的固化收缩规律,以此作为依据对树脂的经验固化及后固化工艺参数进行验证和优化。结果表明:所选液态成型树脂在80℃下固化,其固化度和玻璃化转变温度分别为90%和85℃,高于75℃固化树脂,但其总固化体积收缩只比75℃固化时略为增加了约5%;树脂在120℃下进行后固化处理时,恒温180 min后FBG传感器监测到的树脂内部应变已不再变化,此时树脂已基本完全固化,无需再延长后固化时间。      

基于小波能量谱的盾构隧道损伤间接识别

地铁盾构隧道结构的健康服役对城市轨道交通运输的正常运转至关重要。以超长线状盾构隧道为研究对象,结合间接测量法和小波分析方法,提出了一种基于小波能量谱的盾构隧道损伤间接识别方法。建立了移动车辆和盾构隧道耦合振动的有限元模型,对车辆匀速通过盾构隧道的垂向振动加速度响应进行连续小波变换,得到信号能量谱在时间域内分布,构建基于小波能量谱的盾构隧道损伤识别指标。数值算例表明该方法可以准确识别盾构隧道单损伤和多损伤工况,并分析了车速、测量噪声、粗糙度等因素对损伤识别结果的影响。最后通过实验室试验验证了本文所提盾构隧道损伤间接识别方法的有效性。     

基于局部主频率的子结构损伤识别研究与试验

针对大型复杂结构的整体监测常常面临测量信息不足等困难,提出只利用局部动态响应进行子结构损伤识别的局部主频率方法.子结构的局部主频率指：如果整体模态中含有以局部子结构位移为主的模态,即等价于在局部激励作用下,整体结构的振动主要体现为子结构的振动,并且主要以这阶局部模态振动为主,那么对应的该阶频率即定义为子结构的局部主频率.局部主频率主要反映子结构的局部特性,对子结构损伤的灵敏度高,所以只利用局部主频率就可以识别子结构.当子结构特征不明显时,提出通过附加质量使子结构具有局部主频率的有效方法.该文进行了大型空间桁架的局部动力测试试验,试验中通过附加质量使杆件子结构具有局部主频率,并能准确地识别出杆件损伤的位置和程度.     

基于F-P标准具和Music算法的FBG动态应变传感系统

提出了基于可调光纤环形激光器结构,并采用F-P标准具解调的光纤布拉格光栅(FBG)动态应变传感系统,具有高达60 dB的光学信噪比.F-P标准具用来作为一个边缘滤波器探测FBG波长的漂移,这样的解调方式具有稳定性高的优点.为了提高动态应变测量系统的分辨率,采用了Music算法进行频谱分析.实验结果显示,在700Hz时的动态应变分辨率达到了0.1με/Hz~(1/2),是传统FFT算法的10倍.     

基于模型试验的悬索桥结构损伤识别研究

通过整桥模型试验, 探讨了悬索桥结构损伤识别方法. 首先面向损伤识别研究设计制作了长10m的悬索桥试验模型, 并通过模型误差分析建立了相应的高精度有限元模型. 基于悬索桥结构健康监测和试验检测的主要常用参数以及这些参数对结构损伤的灵敏性和相关性研究, 确定损伤识别策略. 采用有限元模型模拟可能的损伤工况, 从而生成BP网络的训练样本数据. 再将试验模型作为“实际结构”通过损伤模拟试验生成网络测试数据. 就试验模拟的损伤情况而言, 对损伤位置的识别准确率达到了86%, 相应的损伤程度识别精度也达到可接受程度. 显示了该方法较好的应用前景, 对基于监测系统的悬索桥健康状态识别与评价具有参考意义.     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅（FBG）传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。      

基于模量/应变波耦合特性的FBG碳纤维增强塑料复合材料拉伸断裂监测

从光纤Bragg光栅（FBG）反射中心波长随碳纤维增强塑料复合材料（CFRP）拉伸试件表面应变变化敏感特性的角度,详细研究了拉伸过程中FBG中心波长的拉伸变化速率（即CFRP的宏观弹性模量）与复合材料内部断裂饱和状态的相关性和断裂瞬间试件表面的应变波响应特性,即：在拉伸过程中,CFRP拉伸试件的宏观弹性模量随着内部断裂的发生而不断减小,且在试件出现明显应力松弛状态前趋于平稳;应力松弛状态出现时,断裂区域表面接收的应变波响应略大于其他区域。通过设计相应排布形式,将FBG与CFRP断裂监测相结合,提出了一种基于FBG传感的CFRP断裂分阶段监测方法。该方法中传感探头直接与CFRP试件耦合,测量及传导光路全光纤化,可实现对CFRP断裂状态的绝对监测。     

光纤光栅监测缠绕复合材料与铝板界面的固化应变

树脂基复合材料经常与金属材料固化在一起使用。用缠绕方法制备了复合材料单向板, 将光纤布拉格光栅(FBG) 埋入复合材料与铝板之间, 监测两种不同的材料在固化过程中界面的性质, 并与复合材料内部的监测结果相比较。监测结果表明, 光纤布拉格光栅准确地监测到了复合材料固化过程的温度历程, 复合材料内部、铝板和复合材料的界面在固化过程中和固化后应变存在着明显的差异。光纤光栅传感器为两种不同材料之间的固化监测提供了工具, 对界面性质的分析提供了新方法。      

光纤布拉格光栅应变传感器的低温特性

研制了一种新颖的菱形光纤布拉格光栅（FBG）低温传感器。采用有限元方法分析了这种结构的力学性能和温度特性。将该装置置于低温（液氮）拉伸设备中，实验研究了这种封装形式的低温应变特性。采用光纤布拉格光栅网络分析仪和低温应变仪，分别测量了液氮温度下菱形应变传感器的波长变化量和应变变化值，测得其应变系数为-0．7185μe／pm，线性度达到0．9998。     

基于激光扫描法的铁路道砟级配对道床动力特性影响的离散元研究

铁路碎石道床的道砟级配对道床的力学性能具有显著的影响,采用三维激光扫描技术对道砟颗粒的形状特征进行了获取及分析,并提出了基于道砟外形重建结果的离散元颗粒数值模型构造方法;在此基础上建立了循环荷载道砟箱数值模型。以此研究在高速及重载线路条件下,道砟级配对散体道床动力沉降特性的影响规律,并从细观角度分析了道床的沉降机理。研究结果表明:不同运营条件下铁路碎石道床的沉降机理有所不同。道砟颗粒间的相互错动是引发重载铁路道床沉降主要原因。而对于高速铁路,道床沉降还会受到高频荷载作用下颗粒自身转动的影响。因此,建议在规范中针对不同的线路条件提出不同的道砟级配曲线要求。     

基于光纤Bragg光栅和支持向量机的冲击损伤识别研究

针对常用无损检测的局限性,基于光纤Bragg光栅传感器搭建了冲击损伤实时主动监测系统,结合支持向量机算法对碳纤维飞行器壁板进行了冲击损伤位置及程度的识别研究,并与传统的BP神经网络识别结果进行了对比。结果表明:支持向量机算法具有较好的函数回归能力,且该系统能实时有效地从冲击前后的信号中识别出冲击损伤的位置及程度,对冲击损伤识别具有较高的精度。     

Experimental studies on damage detection of beam structures with wavelet transform

Experimental studies are reported for crack detection of a beam structure under a static displacement with the spatial wavelet transform. An invisible perturbation in the deflection profile of the beam at the crack position due to its existence would be induced. Such a small perturbation will be discerned or amplified through a wavelet transform such that a detection of crack location becomes possible practically. To realize this, the static profile of a cracked cantilever aluminum beam subjected to a static displacement at its free end is analyzed with Gabor wavelet to identify the crack. The damage detection of the beam with different crack depths is conducted. The spatial wavelet transform is proven to be effective in identifying the damage area even when the crack depth is around 26% of the thickness of the beam.     

An investigation on rotatory bending fretting fatigue damage of railway axles

Fretting damage failure analysis of a Chinese carbon railway axle RD₂ was carried out. The wheel hub was in situ cut to expose the damaged surface of the wheel seat to avoid additional damage. A small‐scale axle test rig was developed, and simulation tests were performed at different rotator speeds of 1800 and 2100 rpm. The wear mechanism of fretting damage areas was a combination of abrasive wear, oxidative wear and delamination. The fracture surfaces exhibited characterization of multisource and step‐profile. The fretting fatigue crack initiated at the subsurface and propagated along an inclined angle at the first stage. The fretting damage at the higher speed was more severe compared with the lower speed, which lead to a relatively shorter fatigue life. The damage morphologies of the axle in the simulation tests were in good agreement with that observed in the failure analysis on real axle.     

水下盾构法铁路隧道管片衬砌结构的 原型加载试验研究

针对我国第一条水下铁路盾构法隧道——狮子洋隧道,采用"多功能盾构隧道结构体试验系统"装置原型管片衬砌结构,在通缝和错缝不同的拼装方式下进行了原型结构加载试验,对其结构力学性能进行深入探讨。试验结果表明,不同水压条件下管片衬砌结构力学特征不同,尤其是当结构开裂后,高水压对于结构内力与形变的发展有明显的减缓作用。狮子洋隧道采用的榫式接头管片结构在通缝与错缝拼装下的破坏特征不同,通缝拼装时结构在高水压条件下纵缝附近区域易发生局部剪切破坏,该研究成果可为同类工程的设计提供有价值的参考。