基于模态扩展和曲率的形变混合重构

文中提出了一种基于模态扩展和曲率的形变混合重构方法,该方法在实物和有限元模型之间存在一定误差的情况下可以适当降低形变重构的误差。首先,通过模态实验在待重构的表面上均匀选取有限个测点来获取实验模态,接着用对应的有限元模态振型列表来平滑扩展这些实验模态,之后用平滑扩展的实验模态来重构大量的应变值,为了防止求取模态坐标时出现过拟合,此处引入了正则项。然后,将应变值转化为曲率,再通过切角递推公式求得相邻点的位移增量,随后耦合单元坐标增量便可获得全场的形变。最后,通过建立有限元模型进行仿真实验验证,并将此方法的重构结果与曲率法的结果进行对比以验证其有效性。     

基于布里渊分布式光纤的储液罐变形场重构方法研究

以固定式储液罐薄壳壁结构变形的可视化重构为研究背景,提出了一种基于薄壳壁结构表面应变测量的模态叠加变形重构方法。该方法采用分布式光纤传感系统测得薄壳壁结构局部的应变信息,再通过模态叠加原理的计算方法实现应变-位移转换,重构光纤传感器监测构件的变形;同时,为了验证方法的有效性,建立三维有限元分析模型并进行变形仿真分析,将仿真位移结果与试验分析结果作对比。结果表明,提出的基于模态叠加原理的变形重构计算方法在不同方向加载载荷作用下均呈现出较高的重构精度,薄壳壁结构变形位移的绝对误差小于2 mm,平均相对误差小于3%,验证了该方法的可靠性和可行性。     

基于应变模态的模态应变能损伤识别方法

传统模态应变能计算需要完备模态振型信息,而模态振型信息中存在转角自由度难以准确获取的问题,为解决该问题,开展基于应变模态的模态应变能损伤识别研究,实现了结构损伤的定量识别。首先,通过基于应变与位移之间的联系,推导出应变模态与位移模态之间的转换矩阵;其次,利用应变模态代替位移模态计算单元模态应变能,建立基于灵敏度分析的损伤识别方程组;最后,根据奇异值截断法求解该方程组识别结构损伤。以一两端固支梁结构为对象,开展数值仿真和实验研究。结果表明,该方法可以有效识别出结构的损伤位置和损伤程度,相对于基于振型扩充的模态应变能损伤识别方法,具有更好精度和抗噪性能。     

基于模态扩展技术的天线阵面形变重构

文中通过扩展实验模态,利用模态法思想进行形变重构,使用局部对应（Local Correspondence, LC）原理进行重构数值仿真和实验验证。该方法首先通过实验模态测试获得有限个测点的位移模态振型数据,根据实物建立较为准确的有限元模型并提取其模态数据。然后利用LC 原理选择最优的有限元位移模态振型簇对所测实验模态逐阶进行扩展。最后利用扩展后的实验模态进行重构。该方法与系统等效缩减展开过程（System Equivalent Reduction Expansion Process, SEREP）法、模态法的重构结果对比表明,该方法能够显著降低实验模态测试误差对重构精度的影响,并在有限元模型较为准确的情况下提升重构精度。     

光纤光栅与增量极限学习机的航天器结构重构

为了解决航天器板状结构变形的监测问题,建立了结构应变检测与形变重构系统,提出了一种基于准分布式光纤光栅传感器网络和改进型增量式极限学习机相结合的结构形变重构方法.采用光纤光栅应变传感技术,搭建了四边固支平板结构应变检测与形变重构装置,每条通道由12个传感器按照四行三列等距离分布组成,并采用完全粘贴方式提高测量的准确度与稳定性.设计了基于增量式极限学习机的结构形变预测模型,经过训练,该模型能够有效的预测结构变形位移量,结合三次样条插值法,实现了变形曲面的三维重构.采用平均绝对误差以及均方根误差两个精度指标对重构方法进行评价,实验结果表明,该检测装置及形变重构方法在不同的变形状态下的平均绝对误差小于0.05 mm,均方根误差小于0.005 mm,满足航天器结构的形变监测需求.     

机翼蒙皮天线的形变重构方法和实验

文中提出了一种引入迁移学习的形变重构方法,并用某无人机机翼进行了实验验证。该方法首先利用模态法获取大量的仿真源数据,并对实际机翼进行测试,获得少量的目标数据,然后利用迁移学习算法将目标数据迁移到源数据中,使得重构的位移值更加接近实际测量值。结果表明,该方法大幅提升了机翼蒙皮天线在实际工作环境中的形变重构精度。     

基于模糊的框架变形重构的应变测量修正

针对三维(three-dimensional,简称3-D)框架结构弹性变形重构中存在的应变测量误差问题,提出了一种应变测量修正的方法。通过逆有限元法(inverse finite element method,简称iFEM)推导出结构表面应变量与测量点位移量之间的应变-位移关系,实测位移量代入应变-位移的转化关系得到相应的逆解应变。由于测量应变中含有安装、测量误差等,测量应变量与逆解应变量之间非线性数学关系模型难以准确得到。基于模糊网络对任意映射关系的无限逼近特性,采用模糊网络(fuzzy network,简称FN)逼近测量应变与逆解应变的关系。在确定模糊网络后,调用网络完成测量应变的修正,利用修正后应变量求解框架的变形位移。最后在三维框架模型上进行实验验证,实验结果表明结构变形重构的误差普遍减小了60%以上,说明该测量应变修正方法能够有效提高变形重构的精度。     

应变模态振型获取的一种简便方法

根据应变模态分析原理,定义了一个新的应变模态振型系数,提出了基于应变响应获取结构应变模态振型的一种简便方法,并通过简支梁实验进行了验证。研究结果表明,采用该方法无需测量位移模态,仅需采用单点激励,用电阻应变计测量结构上各测点的应变响应信息,即可获得被测结构应变模态振型,大大简化了应变模态在工程结构损伤识别中的实验检测分析过程。     

面向智能蒙皮天线电补偿的位移场重构

智能蒙皮天线能够将集成微带天线和传感元件嵌入到各类武器平台结构中,不仅具有电磁收发和力学承载性能,同时还具有服役状态感知与性能自适应功能.为了解决蒙皮天线因结构变形导致的电性能恶化问题,文中提出了一种嵌入光纤光栅的智能蒙皮天线结构,并利用模态分析和状态空间理论,从少量光纤光栅测量的应变实时重构天线结构的变形位移场.通过研制的智能蒙皮天线结构变形实验系统,验证了变形位移场重构方法的有效性.该位移场重构方法为智能蒙皮天线电补偿系统的研制奠定了基础.     

FRP 层压复合梁结构屈曲变形在线监测方法

为了实现梁结构屈曲变形在线监控,提出了一种FRP层合梁屈曲变形重构方法。首先,依据高阶剪切变形理论,提出了一种复合梁结构变形场描述方法,并基于冯卡门应变梯度理论,推导出了中性轴应变表述方式。然后,利用最小二乘变分法建立了位移重构模型。其中,利用四次B-样条基函数构造了屈曲变形位移插值函数,推导了理论中性轴应变计算公式。并基于少量应变测量,提出了非线性项应变解耦方法,建立了测量应变与实测中性轴应变转换关系。最后,为了验证所提方法的精确性,以25层碳纤维复合梁为样件,搭建固定-简支梁试验平台,对其进行数值计算和试验论证。结果表明,建立的屈曲变形重构模型在不同轴向载荷作用时,位移场重构误差均小于8%。     

Full-field dynamic strain reconstruction of an aero-engine blade from limited displacement responses

Blade strain distribution and its change with time are crucial for reliability analysis and residual life evaluation in blade vibration tests. Traditional strain measurements are achieved by strain gauges (SGs) in a contact manner at discrete positions on the blades. This study proposes a method of full-field and real-time strain reconstruction of an aero-engine blade based on limited displacement responses. Limited optical measured displacement responses are utilized to reconstruct the full-field strain. The full-field strain distribution is in-time visualized. A displacement-to-strain transformation matrix is derived on the basis of the blade mode shapes in the modal coordinate. The proposed method is validated on an aero-engine blade in numerical and experimental cases. Three discrete vibrational displacement responses measured by laser triangulation sensors are used to reconstruct the full-field strain over the whole operating time. The reconstructed strain responses are compared with the results measured by SGs and numerical simulation. The high consistency between the reconstructed and measured results demonstrates the accurate strain reconstructed by the method. This paper provides a low-cost, real-time, and visualized measurement of blade full-field dynamic strain using displacement response, where the traditional SGs would fail.     

Timoshenko梁的变形场重构及传感器位置优化

针对KO位移理论仅适用于重构单方向位移场问题,提出一种适用于六自由度位移场重构的新方法,称之为“多维积分法”。依据Timoshenko梁的静力学平衡方程,建立了位移、转角与外载荷之间的数学模型。并针对不同的外载荷环境,推导出相应的应变场函数和位移场函数,建立了表面应变与截面应变之间的转换关系。为了提升该方法的容差性,以重构位移场的精确性和稳定性为优化目标,建立了关于应变传感器位置的多目标粒子群优化模型。以机翼框架为试验平台,对其进行有限元分析,建立优化目标模型,给出优化后的应变传感器的布置方案。并以此方案为依据,分别利用有限元分析结果和实测梁表面应变值来重构位移场。试验结果表明,提出的“多维积分法”在两种不同形式的外载荷作用下均呈现出较高的重构精度。     

某雷达有源安装板模态参数辨识研究

有源安装板是有源相控阵雷达的主承力结构件。运用单点激振频响函数法对某有源安装板进行模态分析;运用单点激励频域模态参数辨识方法得到前六阶模态参数（模态频率、阻尼比及模态阵型）,对有源安装板的结构设计、力学分析及制造进行初步验证,为其力学分析模型提供了必要的修正参数。     

基于多翼型特征的非奇异变形感知方法研究

针对传统变形感知方法在复杂翼型结构中常见的病态、奇异等问题，提出了一种基于多翼型特征的非奇异变形重构模型。依据Timoshenko梁变形理论，采用依存插值技术离散单元位移场，建立理论截面应变与测量应变的最小二乘变分函数，推导单元节点变形与测量应变的积分重构模型。该模型的位置无关性有效消除评估截面选取不当引起的奇异，增强重构模型在复杂翼型结构中的适用性。同时，针对应变传感器服役期间常见的环境扰动，以重构精度与鲁棒性为评估指标，建立自适应多目标粒子群优化模型。实验结果表明，提出的重构模型整体测量精度较高，在机翼变形量小于20 mm范围内最大绝对误差为0.26 mm,最大相对均方根误差为0.42%;当变形量增大时，绝对误差随之增大，但相对均方根误差不超过3.5%。因此基于多翼型特征的非奇异变形重构模型能够满足机翼实时重构需求，有效扩展变形感知方法在复杂结构中的应用价值。     

基于组织不可压缩性的血管壁横向位移估计

利用软组织的不可压缩性,本文由精确的轴向位移估计值来重构血管壁组织横向位移分布。针对不同变形情况分别采用了线性和非线性估计算法。在小变形情况下,基于应变－位移的线性关系由轴向应变来重构横向位移;在大变形情况下,考虑应变张量的非线性关系由轴向位移的受干扰的横向位移估计值来重构精确的横向位移。离体血管壁组织实验结果表明,不可压缩过程可以大大提高横向位移的信噪比,对最终的弹性重构具有重要意义。