基于分布式測量的應(yīng)變場重構(gòu)技術(shù)研究與應(yīng)用

鄭龍剛,聶小華,韓 濤

(中國飛機強度研究所 強度與結(jié)構(gòu)完整性全國重點實驗室,陜西 西安 710065)

1 引 言

飛機結(jié)構(gòu)強度試驗是在地面模擬氣動載荷以考核飛機強度設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。在試驗實施過程中,應(yīng)變是評估飛機結(jié)構(gòu)強度的重要指標(biāo)之一。應(yīng)變測量結(jié)果是飛機氣動特性和結(jié)構(gòu)強度計算的重要依據(jù),結(jié)構(gòu)的受載狀態(tài)通常與應(yīng)變分布狀態(tài)密切相關(guān)。隨著虛擬試驗技術(shù)的不斷發(fā)展,考慮實現(xiàn)應(yīng)變場重構(gòu)的全機應(yīng)變插值技術(shù)是實現(xiàn)對全機應(yīng)變場準確監(jiān)測的關(guān)鍵解決方案之一。

文獻[1]研究了分布式光纖應(yīng)變測量技術(shù)在飛機結(jié)構(gòu)強度試驗中的應(yīng)用,初步解決了分布式光纖傳感應(yīng)變測量技術(shù)在試驗中應(yīng)用的技術(shù)難題,填補了空白。但是該技術(shù)在全機試驗中的應(yīng)用仍然處于探索階段,目前大規(guī)模的光纖分布式測量技術(shù)尚不成熟,仍需進行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。

文獻[2]針對光纖測量設(shè)備精度限制的測量方法的不足,提出了一種新的數(shù)據(jù)擬合算法,算法能夠準確捕捉結(jié)構(gòu)測量數(shù)據(jù)變化,具有良好的現(xiàn)場適應(yīng)性、分布式的優(yōu)點,該技術(shù)為分布式測量數(shù)據(jù)的處理提供了算法參考。

文獻[3]論述了分布式通用光纖傳感技術(shù)在溫度領(lǐng)域的應(yīng)用情況、工作原理及發(fā)展現(xiàn)狀等,對本文分布式傳感器的應(yīng)用提供了參考。

文獻[4]從光路遮擋、重構(gòu)效率、測量精度等方面研究了自動化網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)算法,針對大尺寸任務(wù)變化情況下分布式測量網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)問題,提出了改進后的灰狼算法并進行了可行性驗證,這對本文分布式測量插值算法的研究提供了研究思路。

文獻[5]提出了從應(yīng)變和溫度系數(shù)標(biāo)定到分布式光纖傳感器物理量測量以及結(jié)果評價的方法,分析了分布式光纖傳感器測量結(jié)果的可靠性并設(shè)計了標(biāo)定裝置,對本文分布式測量的標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理具有參考價值。

文獻[6]針對現(xiàn)有光纖分布式應(yīng)變傳感系統(tǒng)存在的諸多不足,運用新型光纖分布式放大技術(shù)和信號復(fù)用技術(shù)進行了傳感超距離適用性研究,同時對新型分布式應(yīng)變傳感技術(shù)進行了探索,對本文全機應(yīng)變分布式測量提供了基礎(chǔ)參考。

文獻[7]研究了矩形彈性懸臂薄板純彎曲的一般問題,提出了一種變形測量數(shù)據(jù)的誤差修正策略,所獲得的位移估計方法和誤差修正策略等對于結(jié)構(gòu)變形估計問題有現(xiàn)實意義,對基于飛機位移響應(yīng)的應(yīng)變數(shù)據(jù)重構(gòu)策略有參考價值。

文獻[8]綜述了分布式光纖傳感器的國內(nèi)外進展,并闡述了不同類型分布式傳感器的優(yōu)缺點,為本文分布式測量提供了傳感器設(shè)計思路。

本文開展了基于分布式測量的應(yīng)變場重構(gòu)技術(shù)研究,為基于應(yīng)變?nèi)S插值的試驗實時監(jiān)測提供了高效、穩(wěn)定的算法,并提出了網(wǎng)絡(luò)拓撲、多元數(shù)據(jù)融合和可視化應(yīng)用策略。

2 網(wǎng)絡(luò)拓撲分析及功能描述

2.1 部件拓撲分布

飛機結(jié)構(gòu)強度試驗分布式測量系統(tǒng)與飛機結(jié)構(gòu)的空間分布形式密不可分,傳統(tǒng)飛機強度試驗測量系統(tǒng)分布如表1所示,以機身、機翼、尾翼3個重點部件為主要分布節(jié)點,其中機身對應(yīng)采集點1和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點1,機翼對應(yīng)采集點2和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點2,尾翼對應(yīng)采集點3和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點3。在分布式測量拓撲設(shè)計過程中,采集點與應(yīng)變測量分布式傳感器連接,負責(zé)初步數(shù)據(jù)采集,然后通過數(shù)據(jù)包上傳至控制中心,控制中心通過中轉(zhuǎn)傳輸至網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點,按表1節(jié)點分配關(guān)系,數(shù)據(jù)從控制點傳輸至節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點3。

表1 節(jié)點部件對應(yīng)關(guān)系

拓撲分布如圖1所示,上述測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲是一個典型的分布式網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)由控制中心和分布在不同飛機部件空間位置的網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點和控制中心通過網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系,控制中心可以向網(wǎng)絡(luò)測量節(jié)點發(fā)送不同的控制命令來控制整個網(wǎng)絡(luò)拓撲測量系統(tǒng)的運行。

圖1 拓撲分布

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓撲功能

網(wǎng)絡(luò)拓撲功能分層如圖2所示,該網(wǎng)絡(luò)拓撲測量系統(tǒng)功能分為3層:控制層、傳輸層與監(jiān)控層。其他的數(shù)據(jù)傳輸、命令傳輸?shù)裙δ芏紝儆跀?shù)據(jù)傳輸層。各層功能描述如下:

圖2 網(wǎng)絡(luò)拓撲功能分層

(1)控制層由控制中心交互控制,在各工況測量設(shè)計階段進行分布式測量設(shè)計和傳感器參數(shù)配置和部署,其主要作用是精確控制網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中各設(shè)備參數(shù),保證分布測量的準確性和可靠性。

(2)傳輸層主要掌控整個網(wǎng)絡(luò)拓撲測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸運行,即控制層發(fā)送相應(yīng)命令給測量節(jié)點,從而控制測量節(jié)點的測量工作,上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸層到數(shù)據(jù)存儲中心進行存儲。

(3)監(jiān)控層是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是否正常測量的關(guān)鍵層,監(jiān)控層與傳輸層、控制層相互合作,保證整個網(wǎng)絡(luò)拓撲測量系統(tǒng)的正常運行。

3 插值策略研究及可視化實現(xiàn)

3.1 分布式插值策略

對以上部件應(yīng)用分布式測量后,還要考慮對每個部件進行內(nèi)部插值。

以機翼為例,其主體結(jié)構(gòu)由梁、肋、桁條等子結(jié)構(gòu)組成,各子結(jié)構(gòu)之間基本沒有或少有相互間受力,可看作是多個獨立受力模塊。根據(jù)單元的連續(xù)性,將梁、肋、桁條等結(jié)構(gòu)有針對性地分解為獨立單元進行應(yīng)變插值分析。由于飛機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)多為平板型結(jié)構(gòu),所以假設(shè)在獨立的受力模塊上應(yīng)變變化是連續(xù)的。首先,根據(jù)平面應(yīng)變連續(xù)變化假設(shè)在結(jié)構(gòu)平面上構(gòu)造三角形網(wǎng)絡(luò)模型;其次,利用結(jié)構(gòu)試驗測量點的應(yīng)變值計算出子結(jié)構(gòu)邊界的應(yīng)變值;最后,利用三角形頂點坐標(biāo)對整個模型進行應(yīng)變插值計算,橫向子結(jié)構(gòu)構(gòu)建二維插值網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 橫向子結(jié)構(gòu)構(gòu)建二維插值網(wǎng)格

縱向子結(jié)構(gòu)的方向與飛機外部主體方向近似平行,受力和變形情況應(yīng)該與飛機的外部結(jié)構(gòu)類似,插值網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 縱向子結(jié)構(gòu)中心面二維插值網(wǎng)格

通過二維插值網(wǎng)格,可以計算每個位置在中性面上的曲率,然后根據(jù)子結(jié)構(gòu)節(jié)點位置與中性面的距離,即可反求出相應(yīng)節(jié)點的應(yīng)變值。

3.2 數(shù)據(jù)重構(gòu)可視化

首先需要確定繪制變量的類型,如果為單元變量,則需進行類型轉(zhuǎn)化,然后按照一定規(guī)律確定色譜,根據(jù)變量相對值選定顏色數(shù)值,最后通過繪圖命令對模型進行著色、融合和反走樣處理,完成云圖繪制。對于三維云圖繪制,采用基于三角形的區(qū)域填充法。首先,建立離散的物理場量值與顏色的映射關(guān)系。物理場量最小值用藍色表示,最大值用紅色表示,中間值用綠色表示,單元內(nèi)部區(qū)域采用線性插值獲得對應(yīng)的顏色。

利用單元物理量平均值,對每個單元進行著色顯示,此算法具有運算速度快、算法簡潔的優(yōu)點,但存在顯示質(zhì)量不夠精細且易出現(xiàn)鋸齒狀邊界的缺點。顯示質(zhì)量不夠精細主要體現(xiàn)在某一單元位移或者應(yīng)變比較大的情況下,單元有可能跨兩個甚至多個顏色區(qū)域。若利用單元物理量平均值進行著色顯示,則缺少了跨區(qū)域的顏色信息。

某顏色分布如圖5中左側(cè)色卡所示,假設(shè)此單元物理量平均值為60,則該單元顏色顯示為黃色,但應(yīng)該是從藍色、綠色、黃色一直到紅色4種顏色過渡才符合真實情況。在網(wǎng)格尺寸較大或者位移應(yīng)變較大的區(qū)域,應(yīng)用單元物理量平均值法可能會出現(xiàn)此類云圖顯示不精細的情況。

圖5 網(wǎng)格云圖顯示算法

采用單元物理量平均值對邊界進行連續(xù)顯示時,在相鄰單元邊界會出現(xiàn)鋸齒形狀(如圖6所示),其主要原因在于每個單元顏色只跟自身單元物理量平均值相關(guān)。

圖6 鋸齒狀邊界

4 結(jié)束語

本文提出的分布式測點布置方案在應(yīng)變場重構(gòu)中具有可行性,基于分布式應(yīng)變測量的數(shù)據(jù)插值實現(xiàn)全機應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)可以用于試驗應(yīng)變監(jiān)測中,主要結(jié)論如下:

(1)基于分布式測量的應(yīng)變場重構(gòu)技術(shù)可以應(yīng)用在試驗規(guī)模較大的監(jiān)控場景中,改善測量響應(yīng)速率,通過測量資源的調(diào)配使預(yù)警監(jiān)控技術(shù)更高效。

(2)所提出的網(wǎng)絡(luò)拓撲形式更有利于數(shù)據(jù)的傳輸和插值效率,同時在控制層通過權(quán)限分配改變數(shù)據(jù)的重構(gòu)插值策略,有利于應(yīng)變數(shù)據(jù)的高效傳輸和存儲。

(3)分析了網(wǎng)絡(luò)拓撲形式與分布式測量模式的適用性,通過提取分布式節(jié)點測量數(shù)據(jù),對全機結(jié)構(gòu)進行分部件插值,最終實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)融合可視化。