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基于FBG传感网络的CFRP螺旋桨的变形重构研究
| 论文题名： | 基于FBG传感网络的CFRP螺旋桨的变形重构研究 |
| 关键词： | 船舶螺旋桨;碳纤维复合材料;变形重构;光纤布拉格光栅传感网络 |
| 摘要： | 船用螺旋桨长期因金属材料所引起的噪声、腐蚀和疲劳寿命等问题而备受困扰，与金属螺旋桨相比，碳纤维复合材料（Carbon fiber reinforced plastic,CFRP）螺旋桨具有较好的阻尼性能，并且其质量轻、耐海水腐蚀、维护费用低。CFRP螺旋桨桨叶在运行过程中会受到水动力载荷而产生变形，故监测CFRP螺旋桨在不同载荷下的变形，对CFRP螺旋桨的设计以及性能优化具有重要意义。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）传感器抗电磁干扰、尺寸小、易于形成传感网络，本文提出将光纤光栅传感技术应用于CFRP螺旋桨的变形监测。 本文以实现CFRP螺旋桨的变形重构为目标，提出了一种基于应变信息的CFRP螺旋桨的变形重构方法，利用FBG传感技术作为测量方法，通过实验验证了FBG传感网络监测CFRP螺旋桨变形的可行性。本文的主要研究内容如下： （1）提出了基于应变信息的结构变形重构方法。首先根据正交曲率与空间曲线基本理论推导了基于应变信息的变形曲线重构方法，在MATLAB中实现该算法，并以CFRP等厚度层合板为对象，通过仿真验证了该算法重构CFRP等厚层合板变形的可行性，再以CFRP变厚度层合板为对象，提出变截面区域的近似等效化方法，并完善了MATLAB中的结构变形重构算法，通过仿真验证了算法重构CFRP变厚度层合板变形的可行性，还探究了近似等效划分区域的不同厚度差对于重构结果精度的影响。 （2）提出了基于应变信息的CFRP螺旋桨变形重构方法。设计了CFRP螺旋桨的结构，包括其整体结构、碳纤维复合材料的铺层方式与角度等；并在ABAQUS中进行了不同类型载荷下CFRP螺旋桨的变形仿真分析；根据CFRP变厚度层合板的近似等效化方法，进一步研究了适用于CFRP螺旋桨的近似等效化变形重构方法，并基于仿真结果进行了重构算法的验证，探究了划分节点的数量多少对于重构结果精度的影响。 （3）进行了基于FBG应变传感网络的CFRP螺旋桨变形重构实验研究。提出了CFRP螺旋桨变形重构的实验原理并搭建了实验平台，结合CFRP螺旋桨的仿真结果与CFRP螺旋桨桨叶曲面特征，确定了FBG传感器的粘贴位置，对CFRP螺旋桨进行不同重量砝码的加载实验，结合重构算法计算到重构位移，利用三坐标扫描仪对加载前后的CFRP螺旋桨实体模型进行全方位的扫描得到实测位移，将CFRP螺旋桨桨叶测点的重构位移与实测位移进行对比分析，结果表明不同载荷下CFRP螺旋桨重构位移与实测位移的误差均在15%以内。 |
| 作者： | 姜思媛 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 丁国平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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