基于FBG的巨型柔性蒙皮结构应变监测机理研究

Envelope strain monitoring is an important part of near-space huge flexible aerostat structural health monitoring, which plays a role in early warning to the safe operation of near-space aerostat platform. However, there is no mature online monitoring methodologies at home and abroad. Existing envelope online monitoring systems mostly use electrical measuring method, resistance strain gauge or piezoelectric materials, for instance, which has some defects in the practical application. This project aims at near-space huge flexible aerostat envelope and researches on theoretical approaches of envelope strain monitoring based on surface-bonded fiber Bragg grating (FBG) sensing technology. Specifically includes: analyzing the universal surface-bonded FBG structural strain transfer model; On the basis of the universal model, establishing the surface-bonded FBG strain transfer models under the axial large strain, plane strain and bending strain of the envelope; By taking all the above three theoretical models into consideration, establishing the surface-bonded FBG strain transfer model of under the combined strain of the envelope; Validating the obtained surface-bonded FBG strain transfer models via envelope strain monitoring experiment. This project aims to reveal the surface-bonded FBG strain transfer mechanism applied in aerostat envelope strain monitoring, which would lay the theoretical and technical foundation for the design of near-space huge flexible aerostat envelope structural health monitoring systems.

蒙皮应变监测是临近空间巨型柔性浮空器健康监测的重要组成部分，对临近空间浮空平台的安全运行起到预警作用，而国内外尚无成熟的在线监测方法。已有的蒙皮在线监测系统大多采用电阻应变片或者压电材料等电测法，在实际应用中还存在一定不足。本项目以临近空间巨型柔性浮空器蒙皮作为研究对象，通过表面粘贴式光纤布拉格光栅（FBG）传感技术，对蒙皮应变监测的理论方法进行研究。具体内容包括：建立粘贴式FBG普适结构应变传递理论模型；在普适模型的基础上分别建立蒙皮轴向大应变、平面应变及弯曲应变下粘贴式FBG应变传递理论模型；综合三种理论模型建立蒙皮组合应变下粘贴式FBG传感器应变传递理论模型；通过蒙皮应变监测试验验证所获得的应变传递理论模型。本项目旨在揭示用于蒙皮应变监测的粘贴式FBG应变传递机制，为临近空间巨型柔性浮空器蒙皮健康监测系统的设计奠定理论和技术基础。

蒙皮应变监测是临近空间巨型柔性浮空器结构健康监测的重要组成部分，对临近空间浮空平台的安全运行起到预警作用，而国内外尚无成熟的在线监测方法。已有的蒙皮在线监测系统大多采用电阻应变片或者压电材料等电测法，在实际应用中还存在一定不足。本项目以临近空间巨型柔性浮空器蒙皮作为研究对象，通过表面粘贴式光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating, FBG）传感技术，对蒙皮应变监测的理论方法进行研究。.表面粘贴式光纤布拉格光栅传感器由于其体积小、灵敏度高、分布或准分布式测量等优点，在航空飞行器、海洋平台等领域的结构健康监测（SHM）中有着广阔的应用前景。但当FBG传感器粘贴于结构表面后，由于光纤与基体结构之间存在着保护层以及黏结剂，且他们的弹性模量相差较大，导致基体结构的实际应变与FBG传感器所测得的应变之间存在一个传递系数。对表面粘贴式FBG传感器应变传递机制的研究具有十分重要的理论和实际意义。.首先，从粘贴式FBG四层基本结构出发，推导出其应变传递方程，得到沿传感器标距各点的应变传递率及平均应变传递率，通过有限元仿真验证了理论方程的有效性，并分析了传感器各层材料的物理参数对平均应变传递率的影响。然后，分析了加入衬底层的六层结构应变传递机制，并推广到多衬底层的普适情况。.在此基础上，将基体弹性模量引入应变传递方程的推导过程中，分别分析了考虑基体弹性模量的四层、六层及普适结构的应变传递机制，并进行了相应的仿真验证及影响参数分析。随后，考虑传感器轴向与基体结构主应力方向成一定角度的一般情况，对其应变传递机制进行了研究，并进行了有限元仿真验证及参数分析。.然后，建立了两根垂直方向的FBG传感器准确测量蒙皮平面应变场的平面应变数学模型，并设计了测量平面应变的双波长FBG传感器。对双FBG传感器平面应变数学模型中的未知参数：轴向应变传递率KL和径向应变传递率KR进行了研究。推导出了基片式FBG传感器轴向应变传递率KL的数学方程，随后对该方程中的影响参数进行分析，并与有限元分析结果进行对比。同时，采用数值方法对径向应变传递率KR进行了研究。.最后，开展了基于FBG的蒙皮应变监测演示试验，结果验证了监测方法的有效性。.本项目的研究可为表面粘贴式FBG传感器的设计及其在结构健康监测中的应用提供理论参考