非均匀应变分布重构及结构多尺度健康监测的研究

整体损伤监测能够快速覆盖大的监测区域，及时监控结构整体工作状态，但对结构初始小损伤不敏感；局部损伤监测则能对结构局部初始缺陷、小损伤进行精细化的检查，但需要大量的测点信息，每次检测的面积有限，效率较低。因此，将整体和局部损伤监测有机结合起来，充分发挥两者的长处，同时从整体和局部两个尺度上对复合材料结构进行多尺度健康监测的研究，具有深远的理论意义和潜在的巨大工程应用价值。本课题拟采用一种新型的集成式光纤Bragg光栅(FBG) 和非本征型Fabry-Perot干涉腔(EFPI) 复合传感器，同时测量结构的均匀、非均匀应变分布和振动频率，结合混合遗传算法，探索非均匀应变分布重构的新方法，开拓基于应变梯度的损伤特征快速提取新途径，将光纤传感技术、计算力学和人工智能领域的一些研究成果融合在一起，进行多学科交叉和创新性研究，实现复合材料结构的多尺度健康监测新方法，推动结构健康监测技术的发展。

针对目前连续重构光栅轴向非均匀应变必须要对应变形式做预先假设的问题，项目组提出了采用遗传规划的光栅轴向非均匀应变重构算法，利用其符号回归功能，无需应变分布形式的先验知识便可直接回归光栅轴向非均匀应变分布的函数表达式；定义了专门用于度量连续函数重构精度的均方积分误差，针对均值、线性、二次、正弦和不连续的应变分布形式，定量研究基于遗传规划的非均匀应变分布重构方法的效果，验证了算法的有效性；并和最新的混沌遗传非均匀应变分布重构方法比较，结果表明遗传规划方法续重构非均匀应变分布形式具有相对较好的精度和更好的实时性能，具有独特的优越性；此外项目组还比较了遗传规划重构方法和现有的采用T矩阵列式重构方法的精度，虽然分别采用龙格库塔法和改进的传输矩阵法求解“实测谱”和反射谱较同时用T矩阵列式计算“实测谱”和反射谱产生了额外的误差，但仿真结果表明遗传规划的平均最大误差和平均均方误差为最小；项目组进而开展了遗传规划重构非均匀应变分布重构的实验验证，重构的铝合金梁应变分布与有限元计算的结果基本吻合。.基于递阶遗传算法与结构优化思想，项目组提出了一种针对欧拉—伯努利梁和二维板结构的多损伤监测新方法。该方法利用递阶遗传算法的控制基因表示损伤的数量和位置，以参数基因表示损伤的程度，有效地避免了传统遗传算法的早熟现象所造成的损伤误识别等问题。一个悬臂梁和二维板结构模型的多损伤监测仿真计算表明本方法能够准确地监测一、二维结构中多个位置的损伤，较传统遗传算法明显提高了计算效率、精度和稳定性。.项目组提出了一种基于新型的集成式光纤Bragg光栅(FBG) 和非本征型Fabry-Perot干涉腔(EFPI) 复合传感器的结构多尺度健康监测装置和方法，同时测量结构的均匀、非均匀应变分布和振动频率，结合递阶遗传算法和振动频率对结构的整体损伤进行监测；由应变重构过程中提取的应变梯度信息确定可能的损伤区域，以旋转弹簧模拟结构局部的微裂纹损伤，寻求一种结构局部尺度微裂纹损伤分布形式，使其对应的Bragg光栅反射谱计算机仿真值最接近新型集成式复合传感器的实测数据，即可得到结构局部损伤的位置及程度。