基于分布式测量的应变场重构技术研究与应用

郑龙刚,聂小华,韩 涛

(中国飞机强度研究所 强度与结构完整性全国重点实验室,陕西 西安 710065)

1 引 言

飞机结构强度试验是在地面模拟气动载荷以考核飞机强度设计的重要环节。在试验实施过程中,应变是评估飞机结构强度的重要指标之一。应变测量结果是飞机气动特性和结构强度计算的重要依据,结构的受载状态通常与应变分布状态密切相关。随着虚拟试验技术的不断发展,考虑实现应变场重构的全机应变插值技术是实现对全机应变场准确监测的关键解决方案之一。

文献[1]研究了分布式光纤应变测量技术在飞机结构强度试验中的应用,初步解决了分布式光纤传感应变测量技术在试验中应用的技术难题,填补了空白。但是该技术在全机试验中的应用仍然处于探索阶段,目前大规模的光纤分布式测量技术尚不成熟,仍需进行关键技术攻关。

文献[2]针对光纤测量设备精度限制的测量方法的不足,提出了一种新的数据拟合算法,算法能够准确捕捉结构测量数据变化,具有良好的现场适应性、分布式的优点,该技术为分布式测量数据的处理提供了算法参考。

文献[3]论述了分布式通用光纤传感技术在温度领域的应用情况、工作原理及发展现状等,对本文分布式传感器的应用提供了参考。

文献[4]从光路遮挡、重构效率、测量精度等方面研究了自动化网络重构算法,针对大尺寸任务变化情况下分布式测量网络的重构问题,提出了改进后的灰狼算法并进行了可行性验证,这对本文分布式测量插值算法的研究提供了研究思路。

文献[5]提出了从应变和温度系数标定到分布式光纤传感器物理量测量以及结果评价的方法,分析了分布式光纤传感器测量结果的可靠性并设计了标定装置,对本文分布式测量的标定和数据处理具有参考价值。

文献[6]针对现有光纤分布式应变传感系统存在的诸多不足,运用新型光纤分布式放大技术和信号复用技术进行了传感超距离适用性研究,同时对新型分布式应变传感技术进行了探索,对本文全机应变分布式测量提供了基础参考。

文献[7]研究了矩形弹性悬臂薄板纯弯曲的一般问题,提出了一种变形测量数据的误差修正策略,所获得的位移估计方法和误差修正策略等对于结构变形估计问题有现实意义,对基于飞机位移响应的应变数据重构策略有参考价值。

文献[8]综述了分布式光纤传感器的国内外进展,并阐述了不同类型分布式传感器的优缺点,为本文分布式测量提供了传感器设计思路。

本文开展了基于分布式测量的应变场重构技术研究,为基于应变三维插值的试验实时监测提供了高效、稳定的算法,并提出了网络拓扑、多元数据融合和可视化应用策略。

2 网络拓扑分析及功能描述

2.1 部件拓扑分布

飞机结构强度试验分布式测量系统与飞机结构的空间分布形式密不可分,传统飞机强度试验测量系统分布如表1所示,以机身、机翼、尾翼3个重点部件为主要分布节点,其中机身对应采集点1和网络节点1,机翼对应采集点2和网络节点2,尾翼对应采集点3和网络节点3。在分布式测量拓扑设计过程中,采集点与应变测量分布式传感器连接,负责初步数据采集,然后通过数据包上传至控制中心,控制中心通过中转传输至网络中的多个节点,按表1节点分配关系,数据从控制点传输至节点1、节点2、节点3。

表1 节点部件对应关系

拓扑分布如图1所示,上述测量系统的网络拓扑是一个典型的分布式网络测量系统架构。网络测量系统由控制中心和分布在不同飞机部件空间位置的网络测量节点构成。网络测量节点和控制中心通过网络相联系,控制中心可以向网络测量节点发送不同的控制命令来控制整个网络拓扑测量系统的运行。

图1 拓扑分布

2.2 网络拓扑功能

网络拓扑功能分层如图2所示,该网络拓扑测量系统功能分为3层:控制层、传输层与监控层。其他的数据传输、命令传输等功能都属于数据传输层。各层功能描述如下:

图2 网络拓扑功能分层

(1)控制层由控制中心交互控制,在各工况测量设计阶段进行分布式测量设计和传感器参数配置和部署,其主要作用是精确控制网络拓扑结构中各设备参数,保证分布测量的准确性和可靠性。

(2)传输层主要掌控整个网络拓扑测量系统的数据传输运行,即控制层发送相应命令给测量节点,从而控制测量节点的测量工作,上传的数据经过传输层到数据存储中心进行存储。

(3)监控层是网络节点是否正常测量的关键层,监控层与传输层、控制层相互合作,保证整个网络拓扑测量系统的正常运行。

3 插值策略研究及可视化实现

3.1 分布式插值策略

对以上部件应用分布式测量后,还要考虑对每个部件进行内部插值。

以机翼为例,其主体结构由梁、肋、桁条等子结构组成,各子结构之间基本没有或少有相互间受力,可看作是多个独立受力模块。根据单元的连续性,将梁、肋、桁条等结构有针对性地分解为独立单元进行应变插值分析。由于飞机的内部结构多为平板型结构,所以假设在独立的受力模块上应变变化是连续的。首先,根据平面应变连续变化假设在结构平面上构造三角形网络模型;其次,利用结构试验测量点的应变值计算出子结构边界的应变值;最后,利用三角形顶点坐标对整个模型进行应变插值计算,横向子结构构建二维插值网格如图3所示。

图3 横向子结构构建二维插值网格

纵向子结构的方向与飞机外部主体方向近似平行,受力和变形情况应该与飞机的外部结构类似,插值网格如图4所示。

图4 纵向子结构中心面二维插值网格

通过二维插值网格,可以计算每个位置在中性面上的曲率,然后根据子结构节点位置与中性面的距离,即可反求出相应节点的应变值。

3.2 数据重构可视化

首先需要确定绘制变量的类型,如果为单元变量,则需进行类型转化,然后按照一定规律确定色谱,根据变量相对值选定颜色数值,最后通过绘图命令对模型进行着色、融合和反走样处理,完成云图绘制。对于三维云图绘制,采用基于三角形的区域填充法。首先,建立离散的物理场量值与颜色的映射关系。物理场量最小值用蓝色表示,最大值用红色表示,中间值用绿色表示,单元内部区域采用线性插值获得对应的颜色。

利用单元物理量平均值,对每个单元进行着色显示,此算法具有运算速度快、算法简洁的优点,但存在显示质量不够精细且易出现锯齿状边界的缺点。显示质量不够精细主要体现在某一单元位移或者应变比较大的情况下,单元有可能跨两个甚至多个颜色区域。若利用单元物理量平均值进行着色显示,则缺少了跨区域的颜色信息。

某颜色分布如图5中左侧色卡所示,假设此单元物理量平均值为60,则该单元颜色显示为黄色,但应该是从蓝色、绿色、黄色一直到红色4种颜色过渡才符合真实情况。在网格尺寸较大或者位移应变较大的区域,应用单元物理量平均值法可能会出现此类云图显示不精细的情况。

图5 网格云图显示算法

采用单元物理量平均值对边界进行连续显示时,在相邻单元边界会出现锯齿形状(如图6所示),其主要原因在于每个单元颜色只跟自身单元物理量平均值相关。

图6 锯齿状边界

4 结束语

本文提出的分布式测点布置方案在应变场重构中具有可行性,基于分布式应变测量的数据插值实现全机应变监测技术可以用于试验应变监测中,主要结论如下:

(1)基于分布式测量的应变场重构技术可以应用在试验规模较大的监控场景中,改善测量响应速率,通过测量资源的调配使预警监控技术更高效。

(2)所提出的网络拓扑形式更有利于数据的传输和插值效率,同时在控制层通过权限分配改变数据的重构插值策略,有利于应变数据的高效传输和存储。

(3)分析了网络拓扑形式与分布式测量模式的适用性,通过提取分布式节点测量数据,对全机结构进行分部件插值,最终实现多元数据融合可视化。