摘要

在《Aerospace》雜志上發(fā)表的一篇文章中，研究人員通過光纖傳感系統(tǒng)（FOSS）實現(xiàn)了對聯(lián)翼飛機的應(yīng)變和結(jié)構(gòu)位移的實時監(jiān)測（應(yīng)用光纖傳感系統(tǒng)預(yù)測聯(lián)翼飛機的結(jié)構(gòu)位移）。 聯(lián)翼布局給飛行器的設(shè)計帶來了很大影響，并為推進器選擇、航空彈性、飛行動力學(xué)、航空彈性空氣動力學(xué)和其他領(lǐng)域提供了新的設(shè)計思路。在此背景下，實時的結(jié)構(gòu)形變測量在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）、設(shè)計方案論驗證、安全評估和結(jié)構(gòu)控制中至關(guān)重要。

1光纖傳感器（FOS）在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

光纖傳感器已經(jīng)成為航空領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）的首要選擇，它有許多優(yōu)勢，包括抗電磁干擾、多路復(fù)用能力、體積小和重量輕。此外，光纖傳感具有持續(xù)和動態(tài)跟蹤形狀的能力，為目前依賴激光掃描儀、傾斜儀、照相機、加速度計和電應(yīng)變傳感器的形狀傳感方法提供了非常有前途的替代方案。

光纖布拉格光柵（FBG）傳感器：光纖布拉格光柵（FBG）是最常用的光纖傳感器，在光纖傳感的眾多應(yīng)變傳感技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用。盡管在分布式傳感能力方面存在一定局限性，但FBG傳感器也具有很明顯的優(yōu)勢，如可靠性高、應(yīng)變傳感精度好、成本低廉等。相對于基于瑞利或布里淵散射過度分散的傳感，F(xiàn)BG傳感器在工程應(yīng)用中仍是首選。

2前人對聯(lián)翼飛機的研究

聯(lián)翼飛機還沒有在形狀感應(yīng)問題上進行廣泛的研究。與標(biāo)準(zhǔn)布局中的單一主翼相比，聯(lián)翼飛機通常有相連的前翼和后翼，這使得形變測量更具挑戰(zhàn)性。此外，在早期的研究中，經(jīng)常會固定一些邊界限制，然而在實際飛行過程中，飛機可能會遇到各種復(fù)雜的極限條件，要改變模態(tài)形式來應(yīng)對復(fù)雜的邊界情況是很困難的。因此，使用單一傳感器的模態(tài)數(shù)據(jù)來直觀計算結(jié)構(gòu)位移是很有必要的。

3研究是如何開展的

這項研究擴展了傳統(tǒng)的模態(tài)技術(shù)，通過加入額外的約束來適應(yīng)一系列的邊界條件。一個FBG傳感器被用來檢測應(yīng)變，整合在光纖傳感系統(tǒng)（包括軟件和硬件）中，來監(jiān)測一個連翼結(jié)構(gòu)。連翼飛機的構(gòu)造：制造一架帶有菱形機翼的連翼飛機。該飛機的機身長度約為25米，跨度長度約為60米。前翼、后翼和外翼組成了主翼。兩個與后翼相連的短艙將前翼與外側(cè)翼連接起來。該飛機的主要框架由復(fù)合材料構(gòu)成。光纖傳感系統(tǒng)：使用FOSS收集機翼支柱的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并利用它來預(yù)測整個機翼的三維變形。整個系統(tǒng)包括硬件和軟件。 硬件系統(tǒng)被分成兩個獨立的系統(tǒng)，好分別收集和存儲來自左翼和右翼的傳感器數(shù)據(jù)。每個系統(tǒng)包括一個存儲模塊、一個GPS、一個機載計算機和一個FBG解調(diào)模塊。軟件系統(tǒng)的目的是在將預(yù)處理過的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)形變后呈現(xiàn)出結(jié)果。實驗：這篇文章采用新的監(jiān)測方法在中間支撐的一個懸臂梁上進行了測試。梁的橫截面是矩形的，寬度為0.035米，高度為0.0015米，彈性模量和密度分別為210GPa和7750kg/m3。梁一端傳遞了一個合力0.1N帶有垂直分量的力。實驗也在MSC NASTRAN中模擬（FEM），梁是用50個離散化的元素進行解析的。機翼大部分的結(jié)構(gòu)都采用復(fù)合材料，包括機翼的支柱和表皮。

4研究的重要成果

此研究提出了一個基于光纖傳感的聯(lián)翼飛機結(jié)構(gòu)位移預(yù)測的方案。方案中的聯(lián)翼飛機配備了包括硬件和軟件組成的FOSS，然后通過地面測試來確認(rèn)該系統(tǒng)效果。在實際應(yīng)用中，典型的做法是修改傳統(tǒng)的模態(tài)方法以適應(yīng)不同的邊界條件。研究還對懸臂梁模型和聯(lián)翼飛機進行了數(shù)值分析，來確認(rèn)改進的應(yīng)變-位移轉(zhuǎn)換SDT方法。 根據(jù)數(shù)值和實驗數(shù)據(jù)，這篇文章的SDT方法可以正確預(yù)測飛機的整體構(gòu)型或特定點的變形。在地面試驗中，支撐點的位移相對誤差為6.6%。雖然不到7%的誤差仍不夠精確（通常相對誤差平均為2.62%），但仍可看出FOSS的潛力和進一步進行飛行測試的可能性。

審核編輯 ：李倩