專利名稱：基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公開了基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)及方法，屬于板殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
板殼類結(jié)構(gòu)是飛機(jī)中一種重要的典型結(jié)構(gòu)，南京航空航天大學(xué)陸觀等人的研究成果顯示，傳感網(wǎng)絡(luò)信號的有效性和傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋位置的正確性依賴于傳感網(wǎng)絡(luò)敏感區(qū)的分布，首先需要對整體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征進(jìn)行分析，采用與結(jié)構(gòu)相匹配的算法，優(yōu)化得到傳感器的分布。此外，針對傳感器分布常用的構(gòu)建方法包括有效獨(dú)立、Guvan模型縮減法。有效獨(dú)立法從所有可能測點(diǎn)出發(fā)，利用復(fù)模態(tài)矩陣的冪等型，計算有效獨(dú)立向量，按照目標(biāo)模態(tài)矩陣獨(dú)立性排序，刪除對其秩貢獻(xiàn)最小的自由度，從而優(yōu)化Fisher信息陣而使感興趣的模態(tài)向量盡可能保持線性無關(guān)。Guyan模型縮減法也是一種常用的測點(diǎn)選擇方法，通過剛度(靜力縮減)或質(zhì)量(動力縮減)子矩陣構(gòu)成的轉(zhuǎn)換矩陣，可以把那些對模態(tài)反應(yīng)起主要作用的自由度保留下來作為測點(diǎn)的位置。以上傳感器分布方法都要對結(jié)構(gòu)整體先進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化得到傳感器的分布，確定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。飛機(jī)在工作環(huán)境中由于承受多各種形式載荷共同作用，板殼類結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不可以預(yù)見的損傷。由于飛行任務(wù)模式中強(qiáng)過載和加載形式日趨復(fù)雜化，容易造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效，如復(fù)合材料板會造成板結(jié)構(gòu)內(nèi)部纖維斷裂，金屬結(jié)構(gòu)會造成局部屈服變形，使得飛機(jī)典型承載部件如機(jī)體、機(jī)翼力學(xué)性能大幅下降，直接危及飛行安全。因此必須及時獲取載荷加載信息，從而為結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)準(zhǔn)確評估和視情維修提供可靠依據(jù)。結(jié)構(gòu)損傷識別的方法主要有模式匹配法、敏感因子法、模型修正法和參數(shù)識別法。由于基于結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)的損傷識別具有穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)處理簡單的優(yōu)點(diǎn)，使得目前針對結(jié)構(gòu)靜力響應(yīng)特性的研究逐漸增加。傳統(tǒng)板殼結(jié)構(gòu)載荷加載點(diǎn)判位方法對傳感器布置缺少統(tǒng)一的布置規(guī)則，因此采用不同布置方法時，傳感器測量到的應(yīng)變/應(yīng)力數(shù)值也不相同。，因此需要以從實(shí)際目標(biāo)結(jié)構(gòu)獲取基于樣本加載節(jié)點(diǎn)的先驗(yàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)作為靜載判位的參考基準(zhǔn)，根據(jù)先驗(yàn)數(shù)據(jù)布局傳感器，這在一定程度上使得判位方法只適用于特定結(jié)構(gòu)，對不同形狀的結(jié)構(gòu)需要重新設(shè)計傳感器測點(diǎn)位置，并再次獲取先驗(yàn)數(shù)據(jù)。隨著實(shí)際監(jiān)測場合和承載形式日趨復(fù)雜多變，不僅難以直接獲取這些實(shí)測數(shù)據(jù)，而且還會使得相關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)配置形式難以確定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述背景技術(shù)的不足，提供了基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)及方法。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)，包括用于測量板殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器、數(shù)據(jù)處理器、計算機(jī)；其中，所述數(shù)據(jù)處理器輸入端與用于測量板橋結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器，輸出端與計算機(jī)連接。所述基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)中，用于測量板殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器為光纖布拉格光柵傳感器，所述數(shù)據(jù)處理器為光柵解調(diào)儀。所述基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)中，計算機(jī)中安裝有MATLAB軟件，通過MATLAB的定位程序?qū)?shù)據(jù)處理器的輸出值進(jìn)行處理?；诩s束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識方法，使用權(quán)利要求1或2或3所述的利用約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)判定載荷加載點(diǎn)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體包括如下步驟步驟1，以板殼結(jié)構(gòu)上的一點(diǎn)為原點(diǎn)建立二維坐標(biāo)系，建立加載點(diǎn)坐標(biāo)與對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)的映射關(guān)系；步驟2，在所述板殼結(jié)構(gòu)上布局用于測量板殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器沿板殼結(jié)構(gòu)約束邊均勻布置傳感器，所述傳感器粘貼方向與約束邊垂直；步驟3，對加載點(diǎn)加載載荷，根據(jù)按照步驟2所述方式布局的傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，對步驟I確定的映射關(guān)系反演得到加載點(diǎn)目標(biāo)。所述基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識方法中，步驟I中建立載荷加載點(diǎn)坐標(biāo)與應(yīng)變極值坐標(biāo)的映射關(guān)系的具體方法如下步驟A,在板殼結(jié)構(gòu)上取η個樣本加載節(jié)點(diǎn),在第k個樣本加載節(jié)點(diǎn)上加載載荷,利用有限元仿真方法得到第k個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變極值坐標(biāo)；其中，η為自然數(shù)，k為小于η的自然數(shù)；步驟B，構(gòu)建由每個樣本加載節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其相應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)組成的矩陣，并建立樣本加載節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其 相應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)間映射關(guān)系。所述基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識方法中，步驟3的具體實(shí)施方式
如下步驟a，對待判位加載點(diǎn)加載載荷，記錄傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)得到待判位加載點(diǎn)的應(yīng)變極值坐標(biāo)；步驟b，尋找距離待判位加載點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)最近的i個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)，計算待判位加載點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)與i個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)的距離φ，i為小于η的自然數(shù)；步驟C，利用步驟a所述的i個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)，反演步驟I得到的影射關(guān)系，得到i個樣本加載節(jié)點(diǎn)加載坐標(biāo)(Xi，yi);利用反距離加權(quán)插值法確定待判位加載點(diǎn)坐標(biāo)(Xo, y0)。本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果本發(fā)明所述系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，傳感器布局簡單的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所述方法通過采集應(yīng)變極值坐標(biāo)，簡化了加載點(diǎn)判位方法；對不同材料參數(shù)的結(jié)構(gòu)具有通用性。


圖1是板結(jié)構(gòu)應(yīng)變坐標(biāo)與加載坐標(biāo)示意圖。圖2是本發(fā)明判位流程圖。圖3是本發(fā)明方法靜載識別系統(tǒng)構(gòu)成示意圖。圖4是反距離加權(quán)法示意圖。圖5是各向同性鋁合金四邊固支板加載后約束邊y方向應(yīng)變圖。
圖6是各向異性復(fù)合材料碳纖維四邊固支板加載后約束邊y方向應(yīng)變圖。圖7是各向同性鋁合金四邊固支板不同泊松比對應(yīng)的X方向應(yīng)變坐標(biāo)。圖8是各向同性招合金四邊固支板不同彈性模量對應(yīng)的X方向應(yīng)變坐標(biāo)。圖9是各向異性復(fù)合材料碳纖維四邊固支板不同泊松比對應(yīng)的X方向應(yīng)變坐標(biāo)。圖10是各向異性復(fù)合材料碳纖維四邊固支板不同彈性模量對應(yīng)的X方向應(yīng)變坐標(biāo)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)及方法如圖3所示，包括FBG (FiberBragg Grating,光纖布拉格光柵)傳感器、Si425光柵解調(diào)儀、計算機(jī)。Si425光柵解調(diào)儀輸入端與用于測量板橋結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器，輸出端與計算機(jī)連接。Si425光柵解調(diào)儀將FBG (Fiber Bragg Grating，光纖布拉格光柵)傳感器測得的應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為板殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變極值坐標(biāo)。根據(jù)光柵解調(diào)儀分析得到的應(yīng)力極值坐標(biāo)，在MATLAB編寫計算加載點(diǎn)位置坐標(biāo)的程序，利用程序計算得到加載點(diǎn)位置坐標(biāo)。如圖1所示，載荷實(shí)際加載點(diǎn)為圖中(X，y)處，稱為加載坐標(biāo)。a為加載后，板AB邊負(fù)應(yīng)變極值處對應(yīng)的X方向坐標(biāo)，但實(shí)際測量時，傳感器無法布置在約束邊上，因此以圖中EF線上應(yīng)變數(shù)值代替AB邊應(yīng)變數(shù)值作為實(shí)際測量數(shù)據(jù)。同理，b表示AD邊負(fù)應(yīng)變極值處的y方向坐標(biāo)。由此可組合構(gòu)成新的坐標(biāo)(a，b)，該坐標(biāo)表示加載點(diǎn)(X，y)所對應(yīng)的應(yīng)變極值坐標(biāo)。如圖2所示，對各向同性鋁合金四邊固支板(試件長X寬X厚為1200X 1200X2mm)以及各向 異性復(fù)合材料碳纖維四邊固支板(試件長X寬X厚為540X540X2. 54mm)辨識載荷點(diǎn)，包括如下步驟步驟1，以板殼結(jié)構(gòu)上的A點(diǎn)為原點(diǎn)建立二維坐標(biāo)系，建立加載點(diǎn)坐標(biāo)與對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)的映射關(guān)系f ;建立載荷加載點(diǎn)坐標(biāo)與應(yīng)變極值坐標(biāo)的映射關(guān)系f的具體方法如下步驟A,在板殼結(jié)構(gòu)上取η個樣本加載節(jié)點(diǎn),在第k個樣本加載節(jié)點(diǎn)上加載載荷,利用有限元仿真方法得到第k個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變極值坐標(biāo)(ak，bk);其中，η為自然數(shù)，k為小于η的自然數(shù)；步驟B，構(gòu)建由每個樣本加載節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其相應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)組成的矩陣，并通過矩陣運(yùn)算建立樣本加載節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其相應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)間映射關(guān)系f (ak, bk) =f (xk, yk)。步驟2,如圖3所示,在所述板殼結(jié)構(gòu)上布局FBG(Fiber Bragg Grating,光纖布拉格光柵)傳感器在X軸對應(yīng)板殼結(jié)構(gòu)約束邊(AB邊)上、y軸對應(yīng)板橋結(jié)構(gòu)約束邊(AD邊)上均勻布置4個FBG傳感器，F(xiàn)BG傳感器粘貼方向與約束邊垂直(由于FBG傳感器是有方向性的，且在仿真分析中與實(shí)際測量中均得出FBG傳感器粘貼方向應(yīng)與約束邊垂直)。X軸對應(yīng)板殼結(jié)構(gòu)約束邊(AB邊)上的4個FBG傳感器串聯(lián)后將數(shù)據(jù)傳輸至Si425光柵解調(diào)儀，Y軸對應(yīng)板橋結(jié)構(gòu)約束邊(AD邊)上的4個FBG傳感器串聯(lián)后將數(shù)據(jù)傳輸至Si425光柵解調(diào)儀，計算機(jī)根據(jù)Si425光柵解調(diào)儀的處理結(jié)果得到加載點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變力極值坐標(biāo)。此外，其它用于測量板殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器都適用于本發(fā)明。圖5所示各向同性鋁合金四邊固支板AB邊應(yīng)變分布與X軸坐標(biāo)的關(guān)系，圖6是碳纖維板AB應(yīng)變分布與X軸坐標(biāo)的關(guān)系。邊可得應(yīng)變分布存在單峰性。步驟3，對加載點(diǎn)加載載荷，根據(jù)按照步驟2所述方式布局的FBG傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，對步驟I確定的映射關(guān)系反演得到加載點(diǎn)目標(biāo)，具體實(shí)施方式
如下步驟a，對待判位加載點(diǎn)加載載荷，記錄傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)得到待判位加載點(diǎn)的應(yīng)變極值坐標(biāo)(Btl, b0):根據(jù)X軸對應(yīng)板殼結(jié)構(gòu)約束邊(AB邊)上、y軸對應(yīng)板橋結(jié)構(gòu)約束邊(AD邊)上的四個傳感器數(shù)據(jù)使用三次多項(xiàng)式插值，通過擬合的方法計算出待判位加載點(diǎn)的應(yīng)變極值坐標(biāo)(ack)。步驟b，尋找距離待判位加載點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)( , b0)最近的4個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)(a”印，計算待判位加載點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)(&(|，b0)與4個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)(a”匕)的距離屯，i=l, 2,3,4 ；
權(quán)利要求
1.基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)，其特征在于包括用于測量板殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器、數(shù)據(jù)處理器、計算機(jī)；其中，所述數(shù)據(jù)處理器輸入端與用于測量板橋結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器，輸出端與計算機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)，其特征在于所述用于測量板殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器為光纖布拉格光柵傳感器，所述數(shù)據(jù)處理器為光柵解調(diào)儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)，其特征在于計算機(jī)中安裝有MATLAB軟件，通過MATLAB的定位程序?qū)?shù)據(jù)處理器的輸出值進(jìn)行處理。
4.基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識方法，其特征在于使用權(quán)利要求1或2或3所述的利用約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)判定載荷加載點(diǎn)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體包括如下步驟 步驟1，以板殼結(jié)構(gòu)上的一點(diǎn)為原點(diǎn)建立二維坐標(biāo)系，建立加載點(diǎn)坐標(biāo)與對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)的映射關(guān)系； 步驟2，在所述板殼結(jié)構(gòu)上布局用于測量板殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器沿板殼結(jié)構(gòu)約束邊均勻布置傳感器，所述傳感器粘貼方向與約束邊垂直； 步驟3，對加載點(diǎn)加載載荷，根據(jù)按照步驟2所述方式布局的傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，對步驟I確定的映射關(guān)系反演得到加載點(diǎn)目標(biāo)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識方法，其特征在于所述步驟I中建立載荷加載點(diǎn)坐標(biāo)與應(yīng)變極值坐標(biāo)的映射關(guān)系的具體方法如下 步驟A，在板殼結(jié)構(gòu)上取n個樣本加載節(jié)點(diǎn)，在第k個樣本加載節(jié)點(diǎn)上加載載荷，利用有限元仿真方法得到第k個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的應(yīng)變極值坐標(biāo)；其中，n為自然數(shù)，k為小于n的自然數(shù)； 步驟B，構(gòu)建由每個樣本加載節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其相應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)組成的矩陣，并建立樣本加載節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其相應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)間映射關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識方法，其特征在于所述步驟3的具體實(shí)施方式
如下 步驟a，對待判位加載點(diǎn)加載載荷，記錄傳感器的響應(yīng)數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)得到待判位加載點(diǎn)的應(yīng)變極值坐標(biāo)； 步驟b，尋找距離待判位加載點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)最近的i個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)，計算待判位加載點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)與i個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)的距離di; i為小于n的自然數(shù)； 步驟C，利用步驟a所述的i個樣本加載節(jié)點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)，反演步驟I得到的影射關(guān)系，得到i個樣本加載節(jié)點(diǎn)加載坐標(biāo)(Xi，yi);利用反距離加權(quán)插值法確定待判位加載點(diǎn)坐標(biāo)(X。，y0)。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于約束邊應(yīng)變極值坐標(biāo)的載荷辨識系統(tǒng)及方法，屬于板殼結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。所述系統(tǒng)包括用于測量板殼結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的傳感器、數(shù)據(jù)處理器、計算機(jī)。所述方法首先建立加載點(diǎn)坐標(biāo)與對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)的映射關(guān)系；接著沿板殼結(jié)構(gòu)邊緣均勻布局傳感器，測量待判位加載點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)；然后需找距離待判位加載點(diǎn)對應(yīng)應(yīng)變極值坐標(biāo)最小的樣本加載節(jié)點(diǎn)；最后根據(jù)反距離加權(quán)差值法計算得到待判位加載點(diǎn)坐標(biāo)。本發(fā)明所述系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，傳感器布局簡單的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明所述方法通過采集應(yīng)變極值坐標(biāo)，簡化了加載點(diǎn)判位方法；對不同材料參數(shù)的結(jié)構(gòu)具有通用性。
文檔編號G06F17/50GK103049608SQ20121055164
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者曾捷, 穆昊, 李繼峰, 周雅斌, 張倩昀 申請人:南京航空航天大學(xué)