CN107314840A - 一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其具体步骤如下：一：在机翼上布贴光纤光栅传感器；二：获得光纤光栅传感器实测的应变；三：分析机翼剪力状态；四：计算机翼剪力；通过以上步骤，本发明利用布贴在机翼上的光纤光栅实测的应变数据，计算得到机翼的剪力，达到了只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构等其他信息的情况下，就能够获得机翼剪力的效果，解决了仅仅依靠光纤光栅实测的应变数据而对机翼的剪力进行实时监测的实际问题。
Description
技术领域：
本发明提供一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，具体涉及利用光纤光栅所测量得到的实测应变获得机翼的剪力，实现机翼剪力的实时监测，适用于在服役飞机与在飞机全机疲劳试验中的飞机上利用光纤光栅所测量得到的实测应变对飞机机翼所受的剪力进行实时监测，属于测试测量技术领域。
背景技术：
飞机机翼是飞机的重要结构部件之一，是保障飞机安全飞行的关键因素。在飞机的全寿命周期内，飞机机翼会经历特定的载荷历程，此载荷历程是决定飞机机翼使用寿命的关键因素，而飞机机翼的剪力则是机翼载荷历程的重要组成部分。因此，对飞机机翼所受的剪力进行实时监测，获得单架飞机机翼的剪力载荷历程，是建立飞机的实际受载日志的关键，有利于实现飞机的健康管理，同时可进一步的指导飞机机翼的优化设计。目前，我国还没有实现对服役飞机的机翼所受剪力的长期、实时在线监测，现有的进行机翼载荷研究的方法，是基于应变片的监测方法，这种方法只能实现个别飞机的短期监测，并且测量设备复杂，标定过程繁琐，可靠性低，不能对每一架服役飞机都进行标定，不能实现对飞机长期、实时在线的监测。而光纤光栅传感器具有灵敏度高、体积小、多点测量、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强等特点，利用光纤光栅可实现对飞机机翼所受弯矩长期、实时在线的监测。
发明内容：
一、目的
利用光纤光栅传感器灵敏度高、体积小、多点测量、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强等特点，获得机翼的实测应变数据。并且，只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构等其他信息的情况下，得到机翼的剪力。这种方法简单易行，可以实现对服役飞机以及在飞机全机疲劳试验中的飞机的机翼所受的剪力长期、实时在线的监测，建立每一架飞机的独立的受载日志，为其寿命预测提供准确的输入，实现对飞机的健康管理，一方面为飞机维修周期的确定提供参考依据，保障飞机安全，另一方面可进一步指导飞机的优化设计。
二、技术方案
本发明一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，具体步骤如下：
步骤一：在机翼上布贴光纤光栅传感器；
在机翼表面，沿机翼刚轴方向或沿机翼上垂直于机身的方向，布贴n个点的光纤光栅传感器测点；
步骤二：获得光纤光栅传感器实测的应变；
当飞机在实际飞行中或在飞机的全机疲劳试验中，利用光纤光栅传感器解调设备采集和记录光纤光栅信号，会获得光纤光栅传感器的峰值波长信号λ，将此峰值波长信号λ转换为测点的应变值ε，也就是光纤光栅传感器实测的应变；
步骤三：分析机翼剪力状态；
机翼可以简化为固定在机身上的悬臂结构，飞机在飞行中受到的实际载荷和飞机在全机疲劳试验中受到的多点加载的载荷，都可以等效为在机翼压心上的载荷P；再将机翼简化为沿光纤光栅传感器布贴方向的悬臂梁，结合机翼的压心与等效压心载荷P，可以得到沿此方向的机翼弯矩是一条带有斜率的直线，而机翼的剪力是机翼弯矩这条斜直线的斜率；
步骤四：计算机翼剪力；
在沿光纤光栅传感器布贴方向，机翼的弯矩是一条带有斜率的直线的情况下，不同截面的弯矩具有一定的比例关系，同时，测量得到的实测应变数据分别乘以各自的系数后具有相同的比例关系，并且，此比例关系与测点位置有关。利用以上所说的比例关系，可以计算出机翼弯矩这条斜直线的斜率，此斜率就是机翼的剪力。
通过以上步骤，利用布贴在机翼上的光纤光栅实测的应变数据，计算得到机翼的剪力，达到了只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构等其他信息的情况下，就能够获得机翼剪力的效果，解决了仅仅依靠光纤光栅实测的应变数据而对机翼的剪力进行实时监测的实际问题。
其中，在步骤一中所述的“光纤光栅传感器”，是指一种通过外界应变变化对光纤布拉格波长的调制来获取传感器信息的波长调制型光纤传感器。
其中，在步骤二中所述的“光纤光栅传感器解调设备”，是指一种对光纤光栅传感器中心反射波长信号进行解算的设备。
其中，在步骤二中所述的“将此峰值波长信号λ转换为测点的应变值ε”，其具体作法如下：
设光纤光栅传感器的初始中心波长为λ0，测量得到的中心波长为λ，则有应变其中β为光纤的应变敏感系数。
其中，在步骤三中所述的“分析机翼剪力状态”，其具体作法如下：
将机翼简化为固定在机身上的悬臂结构，将机翼上所受载荷等效为在机翼压心上的载荷P，则可以将机翼看成是受末端一点集中力的悬臂梁结构；
所以，机翼的剪力状态，就可以等效的看为是末端受一点集中力的悬臂梁的剪力状态，也就是，弯矩是一条带有斜率的直线，剪力是等于压心拉力的恒定不变的量，同时，剪力也等于弯矩斜直线的斜率。
其中，在步骤四中所述的“计算机翼剪力”，其具体作法如下：
根据机翼的弯矩是一条带有斜率的直线，和弯矩与测量的应变有如下的关系：
Mi＝Kiεi
建立不同截面间的弯矩的比例关系如下：
M1:M2:M3:……:Mn
＝K1ε1：K2ε2：K3ε3：……：Knεn
＝(x+a1):(x+a2):(x+a3):……:x
其中，x是压心到第n个光纤光栅测点的距离，a1、a2、a3等分别是第1个光纤光栅测点到第n个光纤光栅测点的距离、第2个光纤光栅测点到第n个光纤光栅测点的距离、第3个光纤光栅测点到第n个光纤光栅测点的距离，并依次类推；
利用测量得到的应变值，解上面的比例方程，就可以得到n个K系数的值，从而利用测量得到的应变就可以计算出不同界面的弯矩，而弯矩斜直线的斜率，就是要得到的剪力值。
三、优点与功效
(1)本发明基于光纤光栅传感器实测应变来实时监测机翼的剪力，可以实现对服役飞机以及在飞机全机疲劳试验中的飞机的机翼所受的剪力进行长期、实时在线的监测，解决了传统应变片测量方法不能长期、实时在线测量的问题。有利于实现建立每一架飞机的独立受载日志，以及进一步的飞机优化研究。
(2)本发明只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构等其他信息的情况下，就能够获得机翼的剪力。本方法简单易行，可以在每一架实际使用的飞机上通用，从而实现对每一架服役飞机的机翼所受剪力进行长期、实时在线的监测。
附图说明
图1本发明所述方法总流程图。
图2本发明沿机翼刚轴布贴光纤光栅传感器示意图。
图3本发明沿垂直机身方向布贴光纤光栅传感器示意图。
图4本发明压心位置示意图1。
图5本发明压心位置示意图2。
图6本发明压心与等效压心载荷p示意图。
图7本发明剪力与弯矩状态示意图。
图中序号、符号、代号说明如下：
机翼的刚轴X指机翼刚心连线所形成的沿机翼的轴线。
航向指飞机飞行方向也是飞机机身的方向。
压心是在机翼上的所有载荷等效的作用点。
压心拉力P是指在机翼上的所有载荷在压心位置处的等效载荷。
具体实施方式
本发明提供的一种基于光纤光栅实测应变的飞机机翼剪力实时监测方法，见图1所示，具体通过如下步骤实现：
步骤一：在机翼上布贴光纤光栅传感器；
在机翼表面，沿机翼刚轴方向布贴n个点的光纤光栅传感器测点，一直布贴到接近于机翼的末端，如图2所示；或者，在机翼表面沿垂直于机身方向布贴n个点的光纤光栅传感器测点，一直布贴到接近于机翼的末端，如图3所示；
其中，无论是沿机翼刚轴方向还是沿垂直于机身方向布贴光纤光栅传感器，最后一个或几个光纤光栅传感器测点的位置，都会接近于机翼的压心位置，如图4和图5所示；
步骤二：获得光纤光栅传感器实测的应变；
首先，连接光纤光栅传感器到光纤光栅传感器解调设备上，在没有应变时的光栅光纤的中心波长为λ0，采集和记录的光纤光栅传感器的峰值波长为λ；
其次，光纤光栅传感器的峰值波长取决于光纤光栅周期Λ和有效折射率neff，应变能够引起光纤光栅周期Λ和有效折射率neff这两个参量的改变，从而引起光纤光栅峰值波长的改变，他们之间有如下关系
ε＝(λ-λ0)/1.22
利用上式，就可以将实时测量得到的λ转换为测点的实测应变值ε；
步骤三：分析机翼剪力状态；
将机身看为机翼的支撑，那机翼就可以简化看做是固定在机身上的悬臂结构；飞机在飞行中受到的实际载荷和飞机在全机疲劳试验中受到的多点加载的载荷，都可以等效为在机翼压心上的载荷P，如图6所示；
将机翼看成是受末端一点集中力的悬臂梁结构，则机翼的剪力图与弯矩图如图7所示；所以，机翼的弯矩状态，就等效的看为是末端受一点集中力的悬臂梁的弯矩状态，也就是，弯矩是一条带有斜率的直线，剪力是恒定不变的，等于压心的拉力，同时也等于弯矩这条斜直线的斜率；
步骤四：计算机翼剪力；
机翼的弯矩是一条带有斜率的直线。弯矩和测量的应变有如下的关系
Mi＝Kiεi
第i个截面的弯矩等于第i个截面的应变乘以一个系数；
通过上面的关系求出弯矩后，可以确定剪力为
上面的式子，分子为相邻两个弯矩的差，分母为相邻两个弯矩截面间的距离。
当在机翼表面布贴n个点的光纤光栅传感器，如图2和图3所示，结合机翼的弯矩与剪力状态分析，可以建立以下方程
M1:M2:M3:……:Mn
＝K1ε1：K2ε2：K3ε3：……：Knεn
＝(x+a1):(x+a2):(x+a3):……:x
其中，x是压心到第n个光纤光栅测点的距离，a1、a2、a3等分别是第1个光纤光栅测点到第n个光纤光栅测点的距离、第2个光纤光栅测点到第n个光纤光栅测点的距离、第3个光纤光栅测点到第n个光纤光栅测点的距离，并依次类推；
以上的方程，由于x的值是未知的，所以无法求解。
对测量得到的n点的应变数据进行数据的分析，当压心在光纤光栅测点位置附近，此位置处的光纤光栅测点测量得到的应变与其他位置测点的应变值相比会特别小，接近于0；当压心移动到光纤光纤光栅测点位置附近的时候，此位置处此时的光纤光栅测点测量得到的应变与此位置处其他时刻的测点的应变值相比会特别小，接近于0。对测量得到的n点应变进行分析，找到数据具有这样特征的测点m，则上面的方程变为下面的形式
M1:M2:M3:……:Mm
＝K1ε1：K2ε2：K3ε3：……：Kmεm
＝a1:a2:a3:……:am
此时，假设的值为1，则上面的方程可解为以下的弯矩方程的形式
其中，K1、K2和K3直到Km-1是通过以上方法解出来的常量；
获得了以上的弯矩方程之后，就可以将光纤光栅实测应变的应变数据代入此方程，则可以求出实时的不同截面的机翼弯矩，再利用下面的式子
将求得的机翼弯矩与相邻截面间的距离代入上式，则可以求出实时的机翼剪力。
Claims (6)
1.一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：在机翼上布贴光纤光栅传感器；
在机翼表面，沿机翼刚轴方向或沿机翼上垂直于机身的方向，布贴n个点的光纤光栅传感器测点；
步骤二：获得光纤光栅传感器实测的应变；
当飞机在实际飞行中及在飞机的全机疲劳试验中，利用光纤光栅传感器解调设备采集和记录光纤光栅信号，会获得光纤光栅传感器的峰值波长信号λ，将此峰值波长信号λ转换为测点的应变值ε，也就是光纤光栅传感器实测的应变；
步骤三：分析机翼剪力状态；
机翼简化为固定在机身上的悬臂结构，飞机在飞行中受到的实际载荷和飞机在全机疲劳试验中受到的多点加载的载荷，都等效为在机翼压心上的载荷P；再将机翼简化为沿光纤光栅传感器布贴方向的悬臂梁，结合机翼的压心与等效压心载荷P，能得到沿此方向的机翼弯矩是一条带有斜率的直线，而机翼的剪力是机翼弯矩这条斜直线的斜率；
步骤四：计算机翼剪力；
在沿光纤光栅传感器布贴方向，机翼的弯矩是一条带有斜率的直线的情况下，不同截面的弯矩具有一预定的比例关系，同时，测量得到的实测应变数据分别乘以各自的系数后具有相同的比例关系，并且，此比例关系与测点位置有关；利用以上所说的比例关系，能计算出机翼弯矩这条斜直线的斜率，此斜率就是机翼的剪力；
通过以上步骤，利用布贴在机翼上的光纤光栅实测的应变数据，计算得到机翼的剪力，达到了只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构及其他信息的情况下，就能够获得机翼剪力的效果，解决了仅仅依靠光纤光栅实测的应变数据而对机翼的剪力进行实时监测的实际问题。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其特征在于：
在步骤一中所述的“光纤光栅传感器”，是指一种通过外界应变变化对光纤布拉格波长的调制来获取传感器信息的波长调制型光纤传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“光纤光栅传感器解调设备”，是指一种对光纤光栅传感器中心反射波长信号进行解算的设备。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其特征在于：
在步骤二中所述的“将此峰值波长信号λ转换为测点的应变值ε”，其具体作法如下：设光纤光栅传感器的初始中心波长为λ0，测量得到的中心波长为λ，则有应变其中β为光纤的应变敏感系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其特征在于：
在步骤三中所述的“分析机翼剪力状态”，其具体作法如下：
将机翼简化为固定在机身上的悬臂结构，将机翼上所受载荷等效为在机翼压心上的载荷P，则将机翼看成是受末端一点集中力的悬臂梁结构；
所以，机翼的剪力状态，就等效的看为是末端受一点集中力的悬臂梁的剪力状态，也就是，弯矩是一条带有斜率的直线，剪力是等于压心拉力的恒定不变的量，同时，剪力也等于弯矩斜直线的斜率。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其特征在于：
在步骤四中所述的“计算机翼剪力”，其具体作法如下：
根据机翼的弯矩是一条带有斜率的直线，和弯矩与测量的应变有如下的关系：
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