基于光纖傳感器測(cè)得的梁表面應(yīng)變值計(jì)算工作載荷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于光纖傳感器測(cè)得的梁表面應(yīng)變值計(jì)算工作載荷的方法，屬于 光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，為獲得梁結(jié)構(gòu)件上的工作載荷，工業(yè)上采用一種嚴(yán)格卻又耗時(shí)的設(shè)計(jì)方法， 這種設(shè)計(jì)方法很大程度上依賴計(jì)算的方法，比如有限元建模（FEM)。但是有限元建模是耗費(fèi) 大量人力以及經(jīng)濟(jì)成本的方法。
[0003] 更進(jìn)一步，對(duì)于與飛行器機(jī)翼相關(guān)的實(shí)時(shí)載荷，使用的方法是二十世紀(jì)五十年代 發(fā)展起來的一種相對(duì)廣泛的"應(yīng)變片/載荷標(biāo)定"法。首先，在機(jī)翼結(jié)構(gòu)的里面安裝一系列 離散的傳統(tǒng)應(yīng)變片，在機(jī)翼表面作用一系列集中載荷標(biāo)定在這些載荷下應(yīng)變片的響應(yīng)，稱 之為影響系數(shù)。然后將應(yīng)變片測(cè)量值輸入軟件，實(shí)時(shí)運(yùn)行載荷公式得到結(jié)果。其中這種方 法安裝傳感器時(shí)耗時(shí)耗力，而且成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光纖傳感器測(cè)得的梁 表面應(yīng)變值計(jì)算工作載荷的方法，本發(fā)明的目的是使用光纖傳感器測(cè)得的梁表面應(yīng)變值實(shí) 時(shí)獲得工作載荷。
[0005] 本發(fā)明的另一個(gè)目的是減少實(shí)時(shí)獲取作用于梁上的工作載荷的時(shí)間。
[0006] 本發(fā)明的更進(jìn)一步的目的是減少與實(shí)時(shí)獲取梁上的工作載荷相關(guān)的經(jīng)濟(jì)成本。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種基于光纖傳感器測(cè)得的梁表面應(yīng)變值計(jì)算工作載荷的 方法，所述的梁為等截面懸臂梁或截面漸變懸臂梁，工作載荷是彎曲載荷、扭轉(zhuǎn)載荷，或者 兩者均有。實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0008] (1)在梁結(jié)構(gòu)件上安裝多個(gè)光纖傳感器，測(cè)量彎曲載荷時(shí)，光纖傳感器沿著梁的軸 向粘貼；測(cè)量扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，光纖傳感器要與梁的軸線呈45° ;
[0009] (2)光纖傳感器布置完后，施加彎曲載荷或扭轉(zhuǎn)載荷，在梁的自由端施加一個(gè)已知 單點(diǎn)載荷或一個(gè)力偶，獲得在每一個(gè)光纖傳感器處的應(yīng)變值；
[0010] (3)布置完善光纖傳感器并施加了已知載荷后，對(duì)梁進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，得到每個(gè)光纖 傳感器處的梁的結(jié)構(gòu)性能，所述結(jié)構(gòu)性能包括彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度；并在此定義一個(gè)截面 系數(shù)S1，僅
^其中I1是第i個(gè)傳感器處截面的慣性矩，c i是第i個(gè)傳感器與中性軸的 距離。根據(jù)第i個(gè)傳感器處彎矩M1與應(yīng)變?chǔ)?i關(guān)系公式_
(E1為第i個(gè)傳感器處的 楊氏模量），變形后帶入截面系數(shù)，得到公式M1= (ES) i ε i，則（ES)1S彎矩與應(yīng)變值的比例 系數(shù)，標(biāo)定后確定彎矩與應(yīng)變之間的關(guān)系；
[0011] (4)利用標(biāo)定的結(jié)構(gòu)特性及光纖傳感器測(cè)得的應(yīng)變值計(jì)算扭矩、彎矩；
[0012] (5)利用相鄰兩個(gè)光纖傳感器之間的彎矩得到剪切力，再利用剪切力計(jì)算梁實(shí)時(shí) 的工作載荷。
[0013] 所述的光纖傳感器為光纖布拉格光柵（FBG)傳感器。
[0014] 所述標(biāo)定方法如下所述，標(biāo)定的懸臂梁的長度為1，標(biāo)定前已在梁上布置好光纖傳 感器，在梁的自由端上作用一個(gè)已知單點(diǎn)載荷P，則梁會(huì)發(fā)生彎曲，梁被光纖傳感器離散成 多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域長度為Δ 1，截面X = X1處的彎矩為M = P α-i Λ 1)，將其帶入公式
中，得到公式
，梁的彎曲剛度在每個(gè)測(cè)量位置處就被確定；在每 個(gè)光纖傳感器處測(cè)得應(yīng)變值，根據(jù)標(biāo)定公式
，獲得每一個(gè)光纖傳感器處 的彎曲剛度。
[0015] 所述步驟（4)中利用標(biāo)定的結(jié)構(gòu)特性及光纖傳感器測(cè)得的應(yīng)變值計(jì)算彎矩的過 程為：所述步驟（3)標(biāo)定結(jié)果獲得每一個(gè)光纖傳感器處彎曲剛度，根據(jù)公式：
即確定了彎矩與應(yīng)變之間的關(guān)系，而應(yīng)變值由每個(gè)光纖傳感器測(cè)得，所以確定了每一個(gè)光 纖傳感器所處梁截面上的彎矩。
[0016] 所述步驟（5)中利用相鄰兩個(gè)光纖傳感器之間的彎矩得到剪切力，再利用剪切力 獲取工作載荷的過程和公式為：
[0017] 根據(jù)力矩的平衡原理，在截面X = X1處的剪切力￥1可以確定，計(jì)算公式為
1根據(jù)力的平衡原理，在截面X = Xi處工作載荷P i可以被確定，計(jì)算公式為
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0019] (1)本發(fā)明減少有限元建模的復(fù)雜度，即與有限元建模相比，本發(fā)明簡(jiǎn)單，計(jì)算效 率高。
[0020] (2)本發(fā)明采用的光纖傳感器質(zhì)量輕，尺寸小，易組網(wǎng)、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)克服了 傳統(tǒng)應(yīng)變片的不足之處，具有省時(shí)省力的優(yōu)點(diǎn)。
[0021] (3)本發(fā)明很大程度上減少了完成結(jié)構(gòu)分析、增加精確度等過程所需的時(shí)間和成 本。
【附圖說明】
[0022] 圖1為等截面梁上傳感器的布置圖；
[0023] 圖中，1-梁；2-FBG傳感器（測(cè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變）；3_梁的軸線；4-FBG傳感器（測(cè)彎曲應(yīng) 變）；5_傳感器間隔；6-c (傳感器到中性軸或中性面的距離）；7_梁的長度。沿著梁的軸 向方向貼裝彎曲應(yīng)變光纖傳感器，沿著梁的軸向方向與軸呈45°貼裝測(cè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變光纖傳感 器。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 實(shí)施對(duì)象為如圖1所示的懸臂梁結(jié)構(gòu)件，左端固支，右端為梁的自由端，在圖1中， 1-梁；2-FBG傳感器（測(cè)扭轉(zhuǎn)應(yīng)變）；3_梁的軸線；4-FBG傳感器（測(cè)彎曲應(yīng)變）；5_傳感器 間隔Λ l;6-c (傳感器到中性軸或中性面的距離）；7_梁的長度1。沿著梁的軸向方向貼裝 彎曲應(yīng)變光纖傳感器，沿著梁的軸向方向與軸向呈45°貼裝扭轉(zhuǎn)應(yīng)變光纖傳感器。
[0025] 本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0026] (1)在梁結(jié)構(gòu)件上安裝多個(gè)光纖傳感器，測(cè)量彎曲載荷時(shí)，沿著梁的軸向粘貼；測(cè) 量扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，光纖傳感器要與梁的軸線呈45° ;
[0027] (2)光纖傳感器布置完后，施加彎曲載荷或扭轉(zhuǎn)載荷，即作用在梁的自由端一個(gè)已 知單點(diǎn)載荷或一個(gè)力偶，獲得在每一個(gè)光纖傳感器處的應(yīng)變值；
[0028] (3)布置完善光纖傳感器并施加了已知載荷后，對(duì)梁進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，得 到每個(gè)光纖傳感器處的梁的結(jié)構(gòu)性能，所述結(jié)構(gòu)性能包括彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度；
[0029] (4)利用標(biāo)定的結(jié)構(gòu)特性及光纖傳感器測(cè)得的應(yīng)變值計(jì)算彎矩、扭矩；
[0030] (5)利用相鄰兩個(gè)光纖傳感器之間的彎矩得到剪切力，再利用剪切力計(jì)算梁實(shí)時(shí) 的工作載荷。
[0031] 進(jìn)一步，本發(fā)明在梁上安裝一套空間分辨率合理的光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)，為了獲得傳 感器處截面的結(jié)構(gòu)特性，對(duì)于梁的彎曲情況，在梁的自由端施加一個(gè)單點(diǎn)載荷，用來獲取梁 的彎曲性能。類似的，在梁的自由端施加一個(gè)力偶，獲得梁的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特性。
[0032] 本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的方法，該方法基于光纖傳感器測(cè)得的梁表面應(yīng)變值計(jì)算 工作載荷。通常，多個(gè)光纖傳感器布置在梁上呈現(xiàn)網(wǎng)格狀、有規(guī)則的模型。光纖傳感器具有 尺寸小、重量輕等特點(diǎn)，因此使用了大量的光纖傳感器。實(shí)際上這些傳感器將梁分成了多個(gè) 區(qū)域，這些區(qū)域?yàn)橄噜弮蓚€(gè)傳感器之間的部分。本發(fā)明假設(shè)這些區(qū)域有恒定的結(jié)構(gòu)性能，但 是不同區(qū)域的結(jié)構(gòu)性能可能不同。因?yàn)樵诿總€(gè)區(qū)域的兩邊緣處測(cè)得應(yīng)變值，這些區(qū)域的長 度可以相同也可以不同。
[0033] 本發(fā)明采用光頻域反射技術(shù)，使用有相同中心波長的低反射率的光柵，及可調(diào)諧 激光器。上百個(gè)FBG成一串。一種常見配置是使用480個(gè)傳感器，在一條約6m長的光纖上 lFBG/cm粘貼。傳感器的數(shù)量依賴于梁的長度，例，對(duì)于機(jī)翼，使用者可以約I. 27cm貼一個(gè)。 本發(fā)明方法與當(dāng)前其他方法相比具有更高的空間分辨率。
[0034] 光纖傳感器安裝在梁上之后，彎曲與扭轉(zhuǎn)載荷可以按照下面所述方法施加。對(duì)于 彎曲載荷，一個(gè)外加的平面外單點(diǎn)載荷，且載荷已知，作用在梁的自由端上，通常沿著機(jī)翼 主軸方向。類似的，對(duì)于扭轉(zhuǎn)載荷，一對(duì)已知的力偶作用在結(jié)構(gòu)的自由端。接下來，使梁承 受工作載荷。在加載期間，利用每一部分的結(jié)構(gòu)性能信息及從傳感器中測(cè)得的應(yīng)變值，按照 使用者