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电气工程学院测试计量技术及仪器专业姓名：导师：8888888888888中的研究绪论方案设计FBG传感特性研究传感网络优化配置研究缺陷检测验证实验总结与展望选题背景复合材料强度高寿命长质量轻安全性好先进复合材料能够满足航天技术轻量化、长寿命和高可靠性的要求，成为航天技术领域不可缺少材料。由于结构设计和工艺需要，复合材料通常采用离型制造后装配，机体连接必不可少。胶接利于减轻结构重量、均匀应力分布、提高抗疲劳强度和抗腐蚀性能等优点，是复合材料构件连接的重要方法。研究意义气泡冲击脱粘断裂粘接层在制造和服役过程中的缺陷和损伤不可避免，胶层缺陷损伤会导致航天器故障，甚至造成严重的后果，因此胶接质量的监测具有重要意义。理论基础光纤光栅传感原理入射光反射光Λ光栅包层纤芯透射光Iλ入射光谱Iλ透射光谱Iλ反射光谱effBn2光纤光栅传感器体积小，易于埋入结构体内部；重量轻、复用能力强，即使大量铺设网络，对大型航空航天设备结构中对结构体整体质量影响微乎其微；抗电磁干扰性优，尤其是空间复杂环境下仍能保证较高检测灵敏度。光纤光栅谐振方程：国内外研究现状1990年，首次将光纤光栅传感器埋入复合材料中，FBG在航空航天健康监测领域开始应用。1998年，德国研究人员将FBG传感器粘贴于碳纤维增强塑料材料的机翼表面，成功监测机翼的疲劳特性2004年，日本人应用FBG传感器埋入碳纤维增强复合材料夹层中接收压电陶瓷驱动器发射弹性波，成功实现航空用复合材料内部损伤的检测2009年，常琦等人采用FBG传感器测量结构应变场分布，大型碳纤维复合材料机翼盒段壁板结构进行损伤监测研究。2015年，ShresthaP等人对飞行器表面低速冲击进行损伤识别研究，将FBG传感器埋入复合材料结构以实现低速冲击定位检测利用光纤光栅传感分析系统平台对课题提方案进行可行性验证，研究静载作用下的力学参量与FBG传感器中心波长的关系；采用有限元分析方法模拟对FBG传感器的应变传递特性和敏感范围进行研究，建立FBG传感器复合材料胶层的应变感知模型；采用粒子群优化算法对FBG传感器进行优化配置研究，研究粒子群优化算法中种群数量、初始化条件等因素对优化结果的影响；进行复合材料缺陷检测实验，验证FBG传感器网络配置效果，为FBG传感器网络的优化设计提供依据。1324主要工作技术难点：Pm量级光谱信号的获取；被测材料力学特性复杂，同时受到边界效应的影响，传输过程中有扩散、散射及被介质吸收；信号传感器敏感范围各向异性，加大优化配置难度。创新点：针对相对较厚、强吸声、隔热特性复合材料胶层结构，研究FBG传感器的波长偏移与载荷关系特性，采用仿真分析平板结构和实验验证获得FBG传感器感知模型。通过寻找和改进智能优化算法以更好地收敛精度和速度实现传感器布置最优，并通过优化配置实现复合材料胶层缺陷的有效监测。技术难点与创新点研究思路光纤光栅解调系统光纤FBG传感器控制信号上位机被测胶层测量数据系统工作原理：胶层内部存在的损伤、缺陷会引起外界应力场的变化，将FBG传感器埋入复合材料粘接胶层内部，构成分布式传感网络，通过建立胶层内部应变模态变化引起的FBG传感器中心波长变化的对应关系，实现损伤的检测的目的。FBG传感特性研究静载特性研究实验敏感探测区域有限元分析敏感区域探测实验FBG传感器静载特性研究实验传感网络优化配置研究粒子群算法优化配置优化算法对比优化参数设置网络覆盖率-20-1001020304050020406000.20.40.60.81Y/cmX/cm网络覆盖率0.600.20.40.81Y轴/cmX轴/cm-20-10010400202050304060萤火虫算法01020304001020304000.20.40.60.81Y/cmX/cm网络覆盖率重复覆盖网络覆盖率Y轴/cmX轴/cm优化算法对比粒子群算法相同优化条件下，萤火虫算法优化配置的平均覆盖率；粒子群优化配置的平均覆盖率。综合考虑，针对FBG传感器优化配置问题，粒子群算法优化效果更优于萤火虫算法。缺陷检测验证实验有限元损伤模拟仿真缺陷构件应变监测实验05101520253035400510152025303540X轴/cmY轴/cm缺陷半径4mm05101520253035400510152025303540X轴/cmY轴/cm缺陷半径2mm有限元损伤模拟仿真05101520253035400510152025303540X轴/cmY轴/cm缺陷半径1mm总结与展望总结展望成果总结对复合材料胶层FBG传感器网络缺陷检测进行了初步的探索，证明通过FBG传感网络系统监测数据能够反映构件内缺陷的情况。提出了针对航空航天用复合材料胶层缺陷检测问题的FBG传感网络的检测方案。建立了FBG传感器复合材料胶层的新的应变感知模型，这种模型更符合实际应用需求。采用智能优化算法对传感网络进行优化配置，使传感器网络覆盖率达到99%以上，建立了高性能、高可靠性的分布式FBG结构应变监测网络。未来工作未来需克服温度对检测信号的影响，提高检测精度，实现高可靠性缺陷检测。张玉燕研究生生活即将结束，在此，我要感谢所有教导我的老师和一起成长的同学他们在我的研究生生涯给予了很大的帮助。本论文能够顺利完成，要特别感谢我的导师张玉燕老师和温银堂老师，感谢各位老师的关心和帮助。