载荷历程实时智能传感技术及其在结构瞬态波传播研究中的应用

For structural dynamic problems where initial transient responses play important roles, such as position planning of flexible manipulators, landing of aircrafts or docking of spacecrafts, and structural design of tall buildings, wave propagation analysis is necessary for completely knowing the properties of the dynamic characteristics. Research considering wave propagation in structures with rigorous experimental validation is not much. The reasons include the drawbacks of the standard dynamic loadings, difficulties of knowing the time history of the loading, limitations of simultaneous multi-dimensions and multi-points dynamic measurements. Because the importance of experiments to scientific research，this project will establish four standard dynamic loadings, including harmonic loadings, random loadings, impulsive loadings, and step function loadings, and the related smart sensing techniques for the time history of the loadings. In order to provide related theories which can be verified by the experiments, this project will also establish wave propagation analysis methods for the cantilever beams, multi-span continuous beams, and portal frames. Since most of the existing laser-based measurement systems have drawbacks such as high cost, occupying space, difficult to perform multi-dimension measurement, and requirements for the conditions of the sensing points, we will also establish a fiber Bragg grating dynamic sensing system which can perform multi-dimension and multi-point measurements with high sensitivity to discuss the characteristics of the wave propagations. This project will help the development of the identification of the loading history, experimental mechanics, and wave propagation.

结构初期瞬态响应对结构动力问题具有重要影响，对柔性机器人的定位、航空器的着陆或航天器的对接、高层建筑的结构设计等问题，其动力特性必须通过波传播分析才得以完整描述。由于标准动态载荷本身的缺陷，载荷时间历程的测量困难，以及同步多维多点传感技术的限制，目前对初期瞬态响应的研究较少有实验上的严谨验证。有鉴于实验验证对解决科学问题的重要性，本项目将发展标准动态载荷（正弦、随机、冲击与阶跃）及相关载荷历程实时智能传感技术，建立Timoshenko悬臂梁、多跨连续梁与门型刚架的瞬态波传播分析方法，并给出一个可实现梁结构瞬态波传播理论与实验相一致的研究方案。本项目也将开发可测量多维多点的高动态灵敏度光纤光栅位移传感系统，解决目前多数激光传感系统的高成本、占体积、多维多点同步测量困难及测点表面粗糙度要求高等缺点，并探讨不同测点与维度下波的传播特性。本项目将为载荷历程反演、实验力学和波传播的发展与应用提供理论

结构初期瞬态响应是影响结构动力行为的重要因素。结构的完整动力特性必须通过波传播分析才可以描述。由于标准动态载荷本身的缺陷，载荷时间历程测量的困难，以及同步多维多点传感技术不足，目前对初期瞬态响应的研究较少有实验上的严谨验证。在本项目中，课题组主要研究载荷历程的测量、结构的瞬态波传播的理论与有限元仿真。负责人提出了一种可以测量钢珠载荷历程的实验技术，并通过理论与有限元仿真进行以悬臂梁为主要研究对象的动态波传播研究。除了载荷历程传感技术与瞬态响应计算外，课题组也研究多维多点光纤光栅传感系统的动态传感能力、面内模态测试能力，并通过动态结构模态与光纤光栅研究液面高度的传感，以及移动载荷下结构的主动振动控制。本项目将为载荷历程反演、实验力学和波传播的发展与应用提供理论支持和技术支撑。此外，本项目的后期，申请人着手研究具缺陷周期结构（包括声子晶体与弹性超材料）的动态特性与应用。.具体而言，本项目的重要研究结果包含：（1）光纤光栅动态传感系统的开发；（2）载荷历程实时传感技术开发；（3）结构瞬态波传播响应的计算与仿真；（4）移动载荷作用下结构的传感与主动控制研究；（5）具缺陷声子晶体、超材料梁的动态特性实验研究等。其中，光纤光栅传感系统的开发有助于降低非接触传感系统的周期结构频率响应函数测量所需要的高成本，载荷历程传感与计算有助于结构动态实验的标准化，移动载荷作用下的主动振动控制有助于建立相关实验系统；具缺陷声子晶体与弹性超材料梁的动态特性与应用研究有助于拓展周期结构带隙现象的应用。.