基于FBG的巨型柔性蒙皮结构应变监测机理研究

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 2100433B

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。

管道是国家重要公共基础设施，其泄漏监测具有重要意义。本项目提出了基于分布式光纤应变测量信号，进行管道泄漏事故判别及泄漏定位的新技术，目前已形成了“泄漏机理→传感技术→监测算法→系统设计”的较为完整的管道泄漏监测理论和技术体系。在泄漏监测原理方面，提出利用特征线法分析管道泄漏稳态压力分布规律，结合机器学习模型计算管道泄漏位置的方法。在传感技术方面，针对前期开发的光纤光栅（FBG）管道泄漏传感器，进行结构及参数优化，提升传感器对管道泄漏监测可检泄漏量的分辨能力。在泄漏监测算法方面，针对管道泄漏事故原始数据不易获取的问题，提出利用适于小样本学习的支持向量回归（SVR）网络模型，分析管道泄漏位置与光纤应变分布的复杂非线性映射关系，并利用多种优化方法获得更高的管道泄漏定位准确率。搭建管道泄漏监测模拟试验平台，对上述相关监测技术及监测系统进行模拟试验测试。经理论和试验验证，本项目所提出的基于分布式光纤应变测量的管道泄漏监测技术，对于管道泄漏事故识别准确率高达97%。通过对真实长输管道的模拟计算，该方法对于管道沿线各泄漏点定位平均误差率低于1%，且系统具有较好的鲁棒性。同时，通过改进光纤传感器泄漏监测灵敏度，可将泄漏检测系统在管道最小可检泄漏率方面检测性能提升超过30%。本项目所研究的管道泄漏监测及定位技术，有望应用于长输油气管道、城市管网、海底管道等各类管道安全监测系统中，具有潜在的实际应用价值。 2100433B

管道泄漏监测技术对于及时了解管道安全运营状态，确保国民经济和人民生命财产安全具有重要意义。随着新型材料、新型传感器的不断发展，各种管道泄漏检测及监测技术应运而生。本项目提出了一种基于准分布式光纤应变测量技术的管道泄漏监测及定位的方法，它以负压波传播规律为基础，通过采集泄漏引起的管道沿线的应变分布信息，对管道泄漏位置进行判断。本项目将从管道泄漏的机理研究出发，给出不同泄漏情况下的泄漏定位方法，包括负压波时间差定位法，负压波能量衰减定位法及稳态应变分布模式识别法等。而高灵敏度光纤光栅传感器的研发也是本项目的重要研究分支，它决定了泄漏监测系统对于微小泄漏量的检测能力。结合本项目拟开发的管道泄漏监测软件系统，上述定位方法及传感技术均将通过管道泄漏模型试验进行验证。利用光纤传感技术开发智能管道结构也将是本项目一个潜在的技术研究工作。

配筋砌块砌体剪力墙较之钢筋混凝土结构在节能减排方面有着明显的优势，因此对配筋砌块砌体剪力墙的研究有着较好的前景。本项目基于结构的受力状态研究配筋砌块剪力墙的失效机理。以配筋砌块剪力墙在低周往复荷载作用下的受力性能试验为基础，提出基于应变能密度的结构受力状态参数并建立了参数与外荷载之间的关系。提出开裂荷载、失效荷载及极限荷载包络线的概念并给出相应的计算公式，结合结构受力状态参数与外荷载关系曲线，分别建立了弯曲破坏和剪切破坏配筋砌块剪力墙基于受力状态的失效判定准则，与试验结果的对比分析表明该准则能准确有效的预测配筋砌块剪力墙的开裂、失效和极限荷载。于此同时，基于结构受力状态的理论和研究方法也能应用于网壳结构等其他不同类型的构件，所以该准则的提出为剪力墙结构的分析提供了一种全新的分析方法，同时该方法也可以在将来应用于构件的健康监测等方面的应用中。 2100433B