低温液体复合材料贮箱液固耦合系统的结构损伤识别方法与监测技术

本项目研究高超声速航天器复合材料低温液体燃料贮箱的结构损伤识别方法与监测技术，形成一套理论基础完备，并在一定程度上解决低温液体燃料复合材料贮箱液固耦合系统损伤识别所面临主要问题的方法，提供一套工作环境激励下复合材料贮箱结构液固耦合系统的模态分析和损伤识别软件系统与基于光纤布拉格光栅传感技术的贮箱结构模态监测技术，应用于该类重要结构中，为保障其服役安全、避免重大事故发生提供了先进实用技术。主要研究内容有：（1）采用理论推导、数值分析和试验研究的方法研究复合材料贮箱液固耦合系统的动力特性，包括基本动力特性以及在外部激励作用下的动力响应特征；（2）针对考虑液面高度变化的充液复合材料贮箱发展基于随机子空间算法及统计理论的损伤识别算法。（3）建立一套基于光纤光栅传感器进行动态应变测量的结构模态识别技术。

可重复使用复合材料液体燃料贮箱是可重复使用航天器的关键部件之一，其体积巨大，造价昂贵，所处工作环境相对恶劣。低温、腐蚀、压力、振动、材料在低温下的脆化与老化、构件缺陷与机械损伤及疲劳与裂纹扩展的损伤积累等不利因素，都将导致贮箱结构构件和整体抗力的衰减，影响结构的服役安全耐久性。为了保障贮箱结构的安全性、完整性、适用性和耐久性，必须对贮箱结构全寿命期内的环境荷载下结构性态参数进行不断的监测与实时安全评定。.结构损伤是贮箱结构健康监测的核心问题。结构损伤识别方法充分利用监测系统采集积累的数据，判断结构是否发生损伤，并对结构损伤进行定位。在结构健康监测诸多研究方向中，结构的实时损伤识别研究是结构健康监测的重点问题，也是具有挑战性的基础研究问题。.本项目对复合材料液体燃料贮箱的结构识别方法与监测技术进行了研究，主要分为以下四个部分：第一部分对复合材料贮箱液固耦合系统的动力特性进行了理论推导与数值分析，包括未充液状态下的模态分析、充液状态下不同液面高度和考虑不同姿态的含液复合材料贮箱的模态分析，以及含液贮箱结构在外部激励作用下的动力响应特性分析；第二部分在模拟的环境激励下采用随机子空间方法对系统的模态信息进行辨识，并基于此类信息发展了只有输出信息（output-only）的结构损伤识别方法，对贮箱结构的损伤进行了识别与分析；第三部分引入了应变模态的概念，并利用结构的应变模态参数尝试对结构的损伤进行定位，结合有限元分析方法对复合材料板结构与非复合材料圆桶结构的单损伤及多损伤情况进行了识别与分析；第四部分采用先进的基于分布式光纤传感的应变/温度测量系统，从测量准确性、重复性以及线性度的角度对分布式光纤传感器的力学性质进行了试验研究，并利用分布式光纤传感器对受力结构表面应变场进行了重构，对载荷位置进行了精确识别。