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原文传递直升机桨叶结构应变-挠度-弯矩状态的光纤监测方法

专利名称：	直升机桨叶结构应变-挠度-弯矩状态的光纤监测方法
摘要：	本发明公开了一种直升机桨叶结构应变‑挠度‑弯矩状态的光纤监测方法，包括以下步骤：在直升机桨叶结构表面特征点位置布设光纤光栅传感器，求得应变分布曲线方程，进而可以推导该曲线任意点的应变值；将桨叶沿展向分成若干测量段。求得第一段上任意点的挠度；计算第一段的末尾点即第二段的起始点处的挠度值和转角大小；利用对第二段的应变分布曲线方程的二重积分，可求得第二段上的挠度方程；重复上述过程，可得到结构上每一段的挠度方程，即可得知结构上任意点的挠度值；根据挠曲线微分方程，得到弯矩与挠度关系，即可得知桨叶结构表面任意点的弯矩值。本发明的算法无需大量先验知识、简单快速、方便可靠、精确性强。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	南京航空航天大学
发明人：	曾捷;陈铭杰;夏裕彬;常海涛;胡子康;张益昕;杨钰敏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-31T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-16T00:00:00+0800
申请号：	CN201910254398.4
公开号：	CN110127078A
代理机构：	南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	彭雄
分类号：	B64F5/60(2017.01);B;B64;B64F;B64F5
申请人地址：	210016 江苏省南京市江宁区将军大道29号
主权项：	1.一种直升机桨叶结构应变-挠度-弯矩状态的光纤监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、在直升机桨叶结构表面特征点位置布设光纤光栅传感器，获得桨叶表面相关离散测点的实时应变数据，对离散分布的光纤光栅传感器采集的应变值进行应变连续化，求得应变分布曲线方程，进而可以推导该曲线任意点的应变值；在纯弯曲变形或以弯曲变形为主要变形方式下，等厚度结构表面应变ε(x)与弯曲挠度ω(x)之间的关系表示为：式中，c为结构表面到结构中性面的垂直距离，其定义如下：式中，εt为结构i节点上表面测得的应变值，εb为结构i节点下表面测得的应变值，h为结构厚度，在弯曲变形下，结构上下表面的应变值数值上近似相等，且有εb≈-εt，则c的表达式简化为： c＝h/2 (1.3) 通过光栅传感器测得桨叶结构上第i段起始点与末尾点处的应变值分别为εi、εi+1；结构在受弯情况时表面应变呈线性分布变化，通过线性插值得到第i段起始点与末尾点之间的应变变化方程，表示为：其中，为应变值，Δli为第i段长度，xi为第i段起始位置，x为长度值，步骤二、根据直升机桨叶结构的边界条件，将桨叶沿展向分成n个测量段l1、l2、l3、…ln，利用对应变分布曲线方程的二重积分，求得第一段上任意点的挠度；在已知桨叶结构上表面的第i段的起始点的转角和挠度条件下，通过一次积分可得知第i段转角θ(x)变化方程，如下所示：对截面转角进行一次积分可得弯曲挠度，所以有：在单边固支板结构弯曲条件下，起始点处有边界条件为：所以，对于桨叶结构的第一段挠度计算可由下式得到：由于所以上式表示为：由上式可求得第1段上任意点的挠度大小；步骤三、根据第一段求得的挠度方程和转角变化方程，推导第一段的末尾点即第二段的起始点处的挠度值和转角大小：当时，代入式(2.4)得第1段末尾点即第二段起始点挠度值代入式(2.1)得第二段起始点转角步骤四、根据步骤三计算所得第二段的起始点处的挠度值和转角数据，利用对第二段的应变分布曲线方程的二重积分，求得第二段上的挠度方程；根据步骤三所得为边界条件，可知第二段转角变化方程为：第二段挠度变化方程为：步骤五、重复上述过程，可得到结构上每一段的挠度方程，即可得知桨叶结构上任意点的挠度值；因为第i段的末尾点即为第i+1段的起始点，则第i+1段的边界条件可由第i段求得，重复步骤二和步骤三的一重积分可得转角方程，二重积分可得挠度方程。步骤六、根据挠曲线微分方程得到弯矩与挠度关系，即可得知结构上任意点的弯矩值，纯弯曲情况下，弯矩和曲率间的关系式为：其中，ρ为曲率半径，M是弯矩，E是弹性模量，I是截面惯性矩；又有：ds＝ρdθ (6.2) 于是(5.1)式化为：挠度与截面转角关系式：根据上式：注意到代入式(5.3)得式(6.6)即为旋转桨叶挠曲线的非线性微分方程；由此可知挠度与弯矩的关系，再结合根据步骤三、步骤四、步骤五推导所得的应变与挠度关系，即可得出应变-弯矩关系，将式(2.4)代入式(6.6)即可得第1段弯矩：再根据步骤三、步骤四、步骤五依次类推，即可得第2段至第i段的弯矩公式。 2.根据权利要求1所述直升机桨叶结构应变-挠度-弯矩状态的光纤监测方法，其特征在于：步骤一中采用双通道空分复用方法，在桨叶结构监测区域内布置平行于展长方向的四个光纤光栅传感器，分别记为FBG1、FBG2、FBG3、FBG4，同时在靠近桨叶迎风边的位置分别布置平行展长方向的四个光纤布拉格光栅传感器，分别记为FBG5、FBG6、FBG7、FBG8；将这些光纤光栅传感器粘贴于桨叶结构表面，采用光纤跳线将FBG1、FBG2、FBG3、FBG4和FBG5、FBG6、FBG7、FBG8分别串行连接，以此构成分布式传感器网络。 3.根据权利要求3所述直升机桨叶结构应变-挠度-弯矩状态的光纤监测方法，其特征在于：步骤一中在直升机桨叶结构表面布置分布式光纤光栅传感器，桨叶一端固定，一端处于自由状态，光纤光栅传感器在靠近固定端区域的布局数量应相对较多，且间距较小，而在桨叶自由端方向，光纤光栅传感器数量适当减小，间距相应变大。 4.根据权利要求3所述直升机桨叶结构应变-挠度-弯矩状态的光纤监测方法，其特征在于：传感网络所使用的光纤光栅解调仪采样频率为2KHz。 5.根据权利要求4所述直升机桨叶结构应变-挠度-弯矩状态的光纤监测方法，其特征在于：桨叶采用单边固支碳纤维结构。
所属类别：	发明专利