光纤光栅与增量极限学习机的航天器结构重构

为了解决航天器板状结构变形的监测问题,建立了结构应变检测与形变重构系统,提出了一种基于准分布式光纤光栅传感器网络和改进型增量式极限学习机相结合的结构形变重构方法.采用光纤光栅应变传感技术,搭建了四边固支平板结构应变检测与形变重构装置,每条通道由12个传感器按照四行三列等距离分布组成,并采用完全粘贴方式提高测量的准确度与稳定性.设计了基于增量式极限学习机的结构形变预测模型,经过训练,该模型能够有效的预测结构变形位移量,结合三次样条插值法,实现了变形曲面的三维重构.采用平均绝对误差以及均方根误差两个精度指标对重构方法进行评价,实验结果表明,该检测装置及形变重构方法在不同的变形状态下的平均绝对误差小于0.05 mm,均方根误差小于0.005 mm,满足航天器结构的形变监测需求.     

基于分布应变的薄板变形重构算法研究

针对薄板变形重构问题,结合应变与曲率、曲线与曲率的关系,提出了一种带误差补偿的曲率积分递推算法。根据累计误差的特点,给出了误差补偿系数的选取方法,以及误差补偿因子的优化原则,通过选取合适的补偿因子,获得一组与补偿因子相对应的补偿系数。建立600mm×200mm×2.45mm的铝合金薄板模型,通过仿真和实验分析,提取薄板上一条变形曲线的分布应变数据和变形数据,采用带误差补偿的曲率积分递推算法对试验数据进行重构,并引入均方根误差(Root mean square error,RMSE)评判算法在不同分段数和不同载荷情况下的重构精度。结果表明,提出的带误差补偿的变形重构算法可以精确地重构薄板的变形曲线,重构误差及相对误差均比较小。并且在载荷相同的条件下,分段数越多,所提出的曲线重构算法的重构精度也越高。     

基于布里渊分布式光纤的储液罐变形场重构方法研究

以固定式储液罐薄壳壁结构变形的可视化重构为研究背景,提出了一种基于薄壳壁结构表面应变测量的模态叠加变形重构方法。该方法采用分布式光纤传感系统测得薄壳壁结构局部的应变信息,再通过模态叠加原理的计算方法实现应变-位移转换,重构光纤传感器监测构件的变形;同时,为了验证方法的有效性,建立三维有限元分析模型并进行变形仿真分析,将仿真位移结果与试验分析结果作对比。结果表明,提出的基于模态叠加原理的变形重构计算方法在不同方向加载载荷作用下均呈现出较高的重构精度,薄壳壁结构变形位移的绝对误差小于2 mm,平均相对误差小于3%,验证了该方法的可靠性和可行性。     

机翼模型应变场分布式光纤监测与重构方法

针对飞行器机翼结构应变场重构问题,提出了一种基于分布式光纤传感器与模态叠加原理相结合的大展弦比机翼缩比模型应变场监测与重构方法。借助ANSYS有限元分析软件,数值模拟得到大展弦比机翼缩比模型在不同载荷下应变分布与应变模态振型。在此基础上,通过在大展弦比铝合金机翼缩比模型展向设置光纤Bragg光栅传感器,实时采集应变分布与变化信息,结合数值仿真得到机翼模型应变模态振型,重构机翼缩比模型应变场分布,应变反演平均误差约为7%。研究结果表明,本研究方法具有非视觉测量、实时性好以及反演精度较高等优点,能够为及时准确获取飞行器翼面应变场分布信息,进而实现机翼气动载荷计算与疲劳寿命预测提供技术支撑。     

基于模糊的框架变形重构的应变测量修正

针对三维(three-dimensional,简称3-D)框架结构弹性变形重构中存在的应变测量误差问题,提出了一种应变测量修正的方法。通过逆有限元法(inverse finite element method,简称iFEM)推导出结构表面应变量与测量点位移量之间的应变-位移关系,实测位移量代入应变-位移的转化关系得到相应的逆解应变。由于测量应变中含有安装、测量误差等,测量应变量与逆解应变量之间非线性数学关系模型难以准确得到。基于模糊网络对任意映射关系的无限逼近特性,采用模糊网络(fuzzy network,简称FN)逼近测量应变与逆解应变的关系。在确定模糊网络后,调用网络完成测量应变的修正,利用修正后应变量求解框架的变形位移。最后在三维框架模型上进行实验验证,实验结果表明结构变形重构的误差普遍减小了60%以上,说明该测量应变修正方法能够有效提高变形重构的精度。     

变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构方法

变构型飞行器在执行不同飞行任务时会大尺度地改变机翼结构和蒙皮形状,蒙皮多维大尺度的变形重构是变形飞行器研究中的难点。本文针对这一问题,提出一种基于多芯光纤传感的变形飞行器蒙皮变形形状重构方法。该方法基于多芯光纤光栅应变传感原理,利用传感器上的多个光栅传感点,建立光栅波长漂移和曲率之间的转换关系,实现三维曲线重构。此外,为了重构变构型飞行器多维大尺度变形下的形状,本文研究了将重构曲线转化为飞行器机翼的展开角和翻转角,并结合两个角度和飞行器机翼的长宽等固有参数,通过拟合插值将两个角度变化引起的变形连续化,实现了柔性蒙皮多维大尺度变形重构。同时,本文为了减小温度造成的误差,利用多芯光纤中间纤芯不受拉伸和压缩、只受温度影响的特点,将中间纤芯与旁轴纤芯的中心波长漂移量做差,实现温度解耦。为了验证本文变形重构方法的有效性,对飞行器蒙皮多种不同情况下的变形进行了实验测试,并将形变重构结果与视觉测量进行了对比。研究结果表明,飞行器蒙皮多维大尺度变形重构的平均误差为7 mm,变形角度重构的平均误差为3.6%,可以实现变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构,该方法在航空航天器等结构变形监测领域具有良好的应用前...     

FRP 层压复合梁结构屈曲变形在线监测方法

为了实现梁结构屈曲变形在线监控,提出了一种FRP层合梁屈曲变形重构方法。首先,依据高阶剪切变形理论,提出了一种复合梁结构变形场描述方法,并基于冯卡门应变梯度理论,推导出了中性轴应变表述方式。然后,利用最小二乘变分法建立了位移重构模型。其中,利用四次B-样条基函数构造了屈曲变形位移插值函数,推导了理论中性轴应变计算公式。并基于少量应变测量,提出了非线性项应变解耦方法,建立了测量应变与实测中性轴应变转换关系。最后,为了验证所提方法的精确性,以25层碳纤维复合梁为样件,搭建固定-简支梁试验平台,对其进行数值计算和试验论证。结果表明,建立的屈曲变形重构模型在不同轴向载荷作用时,位移场重构误差均小于8%。     

基于主动轮廓模型的复杂陶芯弯扭变形分析

为分析复杂陶芯在制造过程中产生的弯曲和扭转变形,提出了一种基于改进的主动轮廓模型--Snake模型的弯扭变形分析方法.通过改进的Snake模型提取陶芯测量模型与计算机辅助设计模型的截面轮廓线;由奇异值分解和最近点迭代相结合的算法实现两模型截面轮廓线的配准,计算出测量模型截面线相对于计算机辅助设计模型截面线的扭转角度和平移量,通过对多组截面线进行计算分析,最终得出陶芯的弯扭变形情况.实验结果表明,该方法能获得复杂陶芯模型的高精度截面轮廓线和其弯扭变形情况,具有一定的实用性.     

基于形态识别的脊柱个性化建模与侧弯评估系统

脊柱侧弯是一种高发于青少年群体中的脊柱疾病,为了解决X片评估脊柱侧弯所带来的辐射危害,本文设计并实现了基于形态识别的脊柱个性化建模和侧弯评估系统。首先,提取与脊柱相关的特征点,根据特征点之间的相对位置关系计算生成附加特征点;其次,设计并应用特征点校正算法和滤波算法以提高特征点的位置精度;最后,在Unity中将椎骨模型配准到由特征点拟合的脊柱线上,得到个性化三维脊柱模型,并计算Cobb角、胸椎后凸角、腰椎前凸角以评估脊柱侧弯。本文对28位受试者进行了实验,对比分析了系统评估结果与X片评估结果：Cobb角与实际Cobb角之间的皮尔逊相关系数为0.82,平均绝对误差为3.4°,均方根误差为4.2°;胸椎后凸角与实际胸椎后凸角之间的皮尔逊相关系数为0.80,平均绝对误差为3.4°,均方根误差为3.8°;腰椎前凸角与实际腰椎前凸角之间的皮尔逊相关系数为0.78,平均绝对误差为3.2°,均方根误差为3.7°。实验结果表明,脊柱侧弯评估系统的精度较高,使用方便,可适用于大范围的青少年脊柱侧弯筛查。     

应变电桥选择方法在飞行载荷测量中的应用

随着飞机结构的日益复杂,应变电桥选择在飞行载荷应变电桥测量方法中亦越来越重要,直接关系着载荷测量的精度。本文基于MT应变电桥选择方法,给出MT公式中各参数的详细表达式以及具体的物理或数学意义,并对所得载荷方程进行F检验,最后将之应用于某具有较复杂机翼的根部载荷测量。结果表明:该方法可以获得具有可接受精度的弯矩和扭矩载荷方程,由于缺乏足够的剪力应变电桥,剪力载荷方程的误差较大;三者应变电桥之间有耦合的效应。     

基于 MFC 驱动器的飞机翼面结构参数控制设计

针对飞机翼面结构存在翼面回弹量小和翼面变形量大的问题,提出基于 MFC 驱动器的飞机翼面结构参数控制设计方法。首先,对 MFC 驱动器进行介绍,了解其运行原理,并在该驱动器的帮助下简化机翼整体参数计算量;其次,构建机翼的平面有限元模型,并将平面有限元模型进行拉伸,生成立体的机翼结构,实现飞机翼面结构参数控制。实验结果表明,所提方法的翼面回弹量大、翼面变形量小、参数控制效果好及控制误差较小。     

基于Frenet-Serret框架的OFDR三维形状重构算法研究

为了更深入地研究光频域反射法（optical frequency domain reflectometry, OFDR）在形状检测,有效计算变形监测等应用场景下光纤的形状和位置,设计了一种利用分布式光频域反射技术测得的光纤应变数据来重构三维形状的算法。与已有算法相比,在数据处理环节加入了样条插值,从而使得形状还原精度提高,并利用仿真实验对算法进行了验证。首先设计了通过应变数据得到三芯光纤曲率和弯曲方向采样值的计算方法,结合Frenet-Serret公式构造了曲线方程;然后利用有限元分析软件对空间S形应变数据进行建模并提取,带入已设计的算法求解,在三维空间中重建S形光纤;最后得出位置误差随着光纤长度的增加逐渐增加,均方根误差计算结果为0.996 mm,单位长度误差最大值为0.082 4%。结果表明,该算法能较好地恢复原始曲线,具有一定的工程价值。     

FBG 传感技术在飞机机翼动态形变监测中的应用

机翼是飞机的关键部件之一,在飞行过程中对机翼形变进行在线监测,有助于提升飞机的安全性能及任务执行能力。 为此,本文提出一种基于光纤布拉格光栅传感技术的机翼动态形变测量系统;理论分析了 FBG 波长变化量与机翼表面曲率变 化的关系,利用 FBG 温度传感器实现应变补偿,利用三次样条插值实现离散曲率的连续化,采用基于连续曲率的形变重构算法 实现机翼形变测量;在 CA42 飞机的 4 个翼面上布置了 36 个 FBG 应变传感器,4 个 FBG 温度传感器,通过地面静力试验得到了 机翼的形变测量误差为 2. 5% ;最后,针对机翼动态形变测量系统开展了飞行试验,试验过程完整地记录下了机翼表面的应变、 温度及形变信息。 试验结果表明,由机翼形变产生的翼梢位移量正比于机翼法向过载,系数分别为 86. 33 mm/ g(左机翼)及 80. 04 mm/ g(右机翼),翼梢最大位移量 250 mm,发生在法向过载为 2. 25 g 的时刻。 此外,飞机机动半径越小,机翼形变量越 大。 机翼动态形变测量系统体现了良好的工程适应性。     

基于子模型的大型复合材料飞机结构屈曲稳定性数值分析及优化技术研究

随着计算机科学和有限元技术的发展,屈曲稳定性问题有限元数值求解技术已经比较成熟,但是在大型复杂结构工程应用中还是由于计算量大、收敛困难而受到限制,特别是在需要反复迭代计算的优化过程中,更是受到该问题的困扰.针对某大型复合材料机翼结构的考虑稳定性约束条件的优化问题,提取其典型盒段进行分析技术验证,研究计算效率和精度对于单元尺寸的要求.取误差限为1%,位移计算模型单元尺寸要求为150mm,而屈曲临界载荷系数计算模型单元尺寸要求为10mm.采用150mm的单元尺寸建立全结构模型进行位移求解,将位移计算结果应用于采用单元尺寸10mm建立的危险部位子模型进行稳定性求解,完成某复合材料机翼结构打样阶段优化设计,结构总质量较初始设计减轻24%,在满足精度要求的同时,计算效率显著提高.     

多维非线性特征重构与融合的复杂产品工期预测方法

制造企业复杂产品零部件种类众多、加工和装配工序复杂,质量、工艺、设备等各类数据呈现多维度、多尺度、多噪声等特点,工期的关键影响特征提取难度大,预测精度难以保证。针对上述问题,提出一种多维非线性特征重构与融合的复杂产品工期预测方法,首先提出基于集成堆栈式自编码器的多维非线性特征重构与融合方法并构建相应模型,建立特征间的复杂关联耦合关系,形成工期关键因素特征池;基于深度学习算法构建多维非线性重构与融合的复杂产品工期预测模型,实现复杂产品工期的准确预测。选取某企业断路器和3D打印产品为对象进行工期预测的应用验证和对比分析,本方法的均方根误差平均值为1.28,平均绝对百分比误差平均值为3.01%,与未进行特征重构融合的方法,以及支持向量机、神经网络等方法相比,在精度方面均有提升,方均根误差至少降低了约10.87%,平均绝对百分比误差至少降低了约7.74%,证明所提方法的有效性和实用性。     

基于模态扩展和曲率的形变混合重构

文中提出了一种基于模态扩展和曲率的形变混合重构方法,该方法在实物和有限元模型之间存在一定误差的情况下可以适当降低形变重构的误差。首先,通过模态实验在待重构的表面上均匀选取有限个测点来获取实验模态,接着用对应的有限元模态振型列表来平滑扩展这些实验模态,之后用平滑扩展的实验模态来重构大量的应变值,为了防止求取模态坐标时出现过拟合,此处引入了正则项。然后,将应变值转化为曲率,再通过切角递推公式求得相邻点的位移增量,随后耦合单元坐标增量便可获得全场的形变。最后,通过建立有限元模型进行仿真实验验证,并将此方法的重构结果与曲率法的结果进行对比以验证其有效性。