一种轻量化舱体结构应变场重构方法及系统

1.本公开属于应变重构技术领域，具体涉及一种轻量化舱体结构应变场重构方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.航天器密封舱是航空航天技术领域中的关键结构之一，主要的功能是在轻量化设计的前提下保持舱体的密封状态和承受载荷。它在空间运行时，一方面要承受一定的内压环境，另一方面也要承受和传递运载发射加速度载荷等载荷的作用。在运行过程中，舱内需要维持一定的压力，以满足舱内航天员和仪器设备的需要。由于服役环境恶劣，密封舱在运行时各种复杂的载荷容易引起结构的损伤，损伤累积容易造成密封舱的功能失效，直接影响密封舱的运行安全，而应变数据是结构疲劳强度和损伤预测的重要依据，因此开展针对密封舱结构的应变监测意义重大。
4.应变测量可以分为非接触式测量(如摄影测量、相机测量和激光扫描)和接触式测量，其中非接触式测量是通过获得变形前后结构表面的图像，以获得坐标变形前后的匹配点，后续通过计算得到结构的应变和位移，但该方法容易受环境因素影响，例如摇晃和振动，对设备的安装也有空间要求。接触式测量方法包括电阻应变传感器、加速度传感器和光纤布拉格光栅(fbg)传感器。其中，fbg传感器不仅具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰等优点，而且可以进行空分复用和波分复用，易于形成分布式传感网络。因此，本发明将采用fbg传感器应变测量技术。
5.但是由于密封舱结构复杂，难以在部分关键位置甚至所有的位置上均安装传感器，应变场重构算法为应变监测提供了一种解决思路。应变场重构是指通过获取结构上少量测点的应变值，通过算法，计算出结构上其余位置的应变。目前主要有两种算法，一种是插值法，一种是力学分析法。插值法就是对测量的少量点的应变值进行插值，通过拟合函数计算获得结构上其余位置的应变值。力学分析法是对结构的力学模型进行分析，根据结构的力学特性及受载情况，获得结构的应变场。插值法虽然计算简单，但是该方法需要确定准确的插值函数，而复杂函数的插值函数确定起来较为困难。所以对于复杂结构来说，力学分析法更为适用。
6.依据力学分析的应变场重构算法主要包括模态法(mm)、逆有限元法(ifem)和ko位移理论。mm是将结构变形视为各模态下变形的叠加，重建方法对传感器布局、构件形状和模态顺序选择更敏感，在风力涡轮机叶片和简支梁中有更多的应用。最近，mm在中通过实验验证用于重建机翼的静态和动态位移。ifem遵循有限元离散化原理，通过将结构离散为单元并使用位移插值函数和形式函数构造逆单元，通过测量应变和理论应变的最小二乘插值来求解节点位移。由于求解速度快，算法不依赖于材料性质和外载荷性质，近五年来在海洋工程、航空航天、复合材料等领域得到更广泛的应用，如逆有限元单元迄今为止，iqs4已用于
船体加筋和复合材料机翼，均具有令人满意的重建精度。ifem领域的最新发展体现在引入可变截面梁、弯曲壳结构的等距公式，以及用于阶梯梁结构形状传感的新型等几何分析方法。ko位移理论是基于欧拉-伯努利梁的力模型，在被测构件受力不明确的情况下，可以实现从构件的实测应变信息到未知位移信息的转换，也不需要具体的被测构件的材料性能参数，对梁结构的变形有较好的影响，但传感器的布置间隔对精度的影响较大。
7.据发明人了解，虽然许多学者在应变测量和形状重构方面已经做了很多工作，但关于使用直接测量获得的应变数据对整个结构应变场的反演的研究较少。其中，应变场重构的研究对象大部分是简单结构，针对复杂结构的研究较少，大部分只针对应变的单一影响因素进行了研究，比如说载荷造成的应变，但空间舱舱体应变产生因素较多，仅考虑单一因素会造成较大的误差，因此选择恰当的方法对密封舱舱体进行应变场重构是一个有待于解决的难点。


技术实现要素：

8.为了解决上述问题，本公开提出了一种轻量化舱体结构应变场重构方法及系统，以密封舱为研究对象，基于密封舱的服役过程中的受载情况，考虑了密封舱的静力学特性与动力学特性，将载荷/模态—应变矩阵代替了模态叠加法中的应变振型矩阵，避免了模态法中模态测试困难、模态阶数难以确定等问题，能够实现复杂结构的应变场重构；所述方案在线弹性范围内应变场重构的精度更高，重构效果更好。。
9.根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种轻量化舱体结构应变场重构方法，采用如下技术方案：
10.一种轻量化舱体结构应变场重构方法，包括：
11.构建轻量化舱体结构模型；
12.对所构建的轻量化舱体结构模型进行不同载荷下的分析，得到不同载荷下的应变响应；
13.根据所得到的不同载荷下的应变响应，计算轻量化舱体的载荷应变响应；
14.对所构建的轻量化舱体结构模型进行不同模态下的振动分析，得到模态应变响应；
15.根据所得到的模态应变响应，计算轻量化舱体的振动应变响应；
16.基于所得到的轻量化舱体的载荷应变响应和振动应变响应，计算轻量化舱体的应变响应，完成轻量化舱体的结构应变场重构。
17.作为进一步的技术限定，所述不同载荷包括充气载荷、加速度载荷和重力及支撑载荷；所述不同载荷下的应变响应包括充气载荷所产生的应变响应、射过程中加速度载荷所产生的应变响应和垂直转运过程中重力和支撑载荷所产生的应变响应。
18.作为进一步的技术限定，对所构建的轻量化舱体结构模型进行有限元模态分析，根据模态有效质量原则，确定所截取的轻量化舱体结构模型的模态数量，到不同模态下的应变响应。
19.作为进一步的技术限定，在计算轻量化舱体的载荷应变响应的过程中，对所得到的不同载荷下的应变响应进行线性叠加，得到轻量化舱体的载荷应变响应；
20.所述轻量化舱体的载荷应变响应ε'm为
21.其中，m表示监测点，ε'1,ε'2…
,ε'm分别为矩阵ε'm中的矩阵元素，中的矩阵元素，和分别表示不同载荷的应变响应，ω'1，ω'2和ω'3分别表示不同载荷的应变响应的权重；表示在不同载荷分别作用下m个监测点的应变响应矩阵，且ω'3×1表示不同载荷分别作用下m个监测点的应变响应权重，且
22.进一步的，在计算轻量化舱体的振动应变响应的过程中，对所得到的模态应变响应进行线性叠加，得到轻量化舱体的振动应变响应；
23.所述轻量化舱体的振动应变响应ε”m
为多个载荷同时作用在轻量化舱体上时的振动应变响应，即其中，m表示监测点，ε”1
,ε”2
…
,ε”m
分别为矩阵ε”m
中的矩阵元素，中的矩阵元素，和分别表示不同模态下m个监测点的模态应变响应，ω”1
，ω”2
和ω”b
分别表示不同模态下m个监测点的模态应变响应的权重；表示在不同模态下m个监测点的模态应变响应矩阵，且ω'b×1表示不同模态下m个监测点的模态应变响应权重，且
24.进一步的，在计算轻量化舱体的应变响应的过程中，对所得到的轻量化舱体的载荷应变响应和振动应变响应进行线性叠加，得到轻量化舱体的应变响应；
25.所述轻量化舱体的应变响应εm为
[0026][0027]
其中，ε1,ε2…
,εm分别为矩阵εm中的矩阵元素；表示轻量化舱体上m个监测点的应变响应，且ω
(3+b)
×1表示轻量化舱体上m个监测点的应变响应的权重，且
[0028]
进一步的，根据最小二乘法可得结合即可得到监测点的轻量化舱体的应变响应；基于监测点进行轻量化舱体结构上未监测点的应变场重构，得到轻量化舱体结构所有点的应变响应，完成轻量化舱体的结构应变场重构。
[0029]
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种轻量化舱体结构应变场重构系统，采用如下技术方案：
[0030]
一种轻量化舱体结构应变场重构系统，包括：
[0031]
建模模块，其被配置为构建轻量化舱体结构模型；
[0032]
载荷应变响应模块，其被配置为对所构建的轻量化舱体结构模型进行不同载荷下的分析，得到不同载荷下的应变响应；根据所得到的不同载荷下的应变响应，计算轻量化舱体的载荷应变响应；
[0033]
模态振动应变响应模块，其被配置为对所构建的轻量化舱体结构模型进行不同模态下的振动分析，得到模态应变响应；根据所得到的模态应变响应，计算轻量化舱体的振动应变响应；
[0034]
结构应变场重构模块，其被配置为基于所得到的轻量化舱体的载荷应变响应和振动应变响应，计算轻量化舱体的应变响应，完成轻量化舱体的结构应变场重构。
[0035]
根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
[0036]
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公
开第一方面所述的轻量化舱体结构应变场重构方法中的步骤。
[0037]
根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
[0038]
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的轻量化舱体结构应变场重构方法中的步骤。
[0039]
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
[0040]
本公开通过有限的应变测点，实现密封舱整体的应变场重构，避免了在密封舱大量布置传感器进行应变监测的弊端；
[0041]
综合考虑转运载荷、发射载荷、充气载荷和结构振动的影响，对多种因素引起的应变场进行同时求解，避免了以往应变场重构算法中仅考虑单一因素进行应变场重构的缺点。
附图说明
[0042]
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
[0043]
图1是本公开实施例一中的轻量化舱体结构应变场重构方法的流程图；
[0044]
图2是本公开实施例一中的轻量化舱体结构应变场重构方法的整体框图；
[0045]
图3(a)是本公开实施例一中的轻量化舱体结构的1阶模态应变图；
[0046]
图3(b)是本公开实施例一中的轻量化舱体结构的2阶模态应变图；
[0047]
图3(c)是本公开实施例一中的轻量化舱体结构的3阶模态应变图；
[0048]
图3(d)是本公开实施例一中的轻量化舱体结构的4阶模态应变图；
[0049]
图3(e)是本公开实施例一中的轻量化舱体结构的5阶模态应变图；
[0050]
图3(f)是本公开实施例一中的轻量化舱体结构的6阶模态应变图；
[0051]
图4是本公开实施例一中的重力及支撑载荷作用下的应变图；
[0052]
图5是本公开实施例一中的充气荷作用下的应变图；
[0053]
图6是本公开实施例一中的加速度载荷作用下的应变图；
[0054]
图7是本公开实施例二中的轻量化舱体结构应变场重构系统的结构框图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
[0056]
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0057]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0058]
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公
开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
[0059]
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
[0060]
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0061]
实施例一
[0062]
本公开实施例一介绍了一种轻量化舱体结构应变场重构方法。
[0063]
如图1和图2所示的一种轻量化舱体结构应变场重构方法，包括：
[0064]
构建轻量化舱体结构模型；
[0065]
对所构建的轻量化舱体结构模型进行不同载荷下的分析，得到不同载荷下的应变响应；
[0066]
根据所得到的不同载荷下的应变响应，计算轻量化舱体的载荷应变响应；
[0067]
对所构建的轻量化舱体结构模型进行不同模态下的振动分析，得到模态应变响应；
[0068]
根据所得到的模态应变响应，计算轻量化舱体的振动应变响应；
[0069]
基于所得到的轻量化舱体的载荷应变响应和振动应变响应，计算轻量化舱体的应变响应，完成轻量化舱体的结构应变场重构。
[0070]
航天器铝合金轻量化加筋封闭舱舱体在服役过程中，首先，在垂直转运阶段，由于舱体重力以及支撑载荷产生应变，在发射过程中，由于燃料助推等承受的加速度载荷产生应变，在服役过程中，舱体内部气压和外部气压不同，会由于承受的充气载荷产生应变，以上应变均为由于舱体所受载荷所产生的应变；在舱体发射及服役过程中，也会由于舱体的振动产生应变，振动的来源一般认为是发动机工作产生的振动，以及各种噪声和冲击。因此，当考虑到舱体的整体应变时，可以将其应变分为两种，一种是由于载荷产生的应变，一种是由于舱体的振动产生的应变。根据系统动力学原理，可将舱体的应变表示为两种应变的叠加。
[0071]
如图4、图5和图6所示，舱体由于载荷所受的应变主要有以下三种，分别是垂直转运过程中重力和支撑载荷所产生的应变，充气载荷所产生的应变，发射过程中加速度载荷所产生的应变。搭建铝合金轻量化加筋密封舱的高保真模型，对结构进行有限元仿真，分析密封舱的服役工况，确定密封舱的受载类型，设计载荷的加载方法，获得载荷应变响应。
[0072]
根据系统动力学原理，在弹性范围内，系统产生的总应变可以认为是系统在不同载荷作用下的应变的线性叠加。当结构承受外力时，针对监测点，轻量化舱体结构的监测点的应变值可以分别表示为：
[0073]
轻量化舱体的载荷应变响应ε'm为
[0074]
[0075]
其中，m表示监测点，ε'1,ε'2…
,ε'm分别为矩阵ε'm中的矩阵元素，和分别表示不同载荷的应变响应，ω'1，ω'2和ω'3分别表示不同载荷的应变响应的权重；表示在不同载荷分别作用下m个监测点的应变响应矩阵，且ω'3×1表示不同载荷分别作用下m个监测点的应变响应权重，且
[0076]
同理，能够得到轻量化舱体结构上的未监测点的轻量化舱体的载荷应变响应ε'n为
[0077][0078]
其中，n表示未监测点，ε'1,ε'2…
,ε'n分别为矩阵ε'n中的矩阵元素，和分别表示不同载荷的应变响应，ω'1，ω'2和ω'3分别表示不同载荷的应变响应的权重；表示在不同载荷分别作用下n个未监测点的应变响应矩阵，且ω'3×1表示不同载荷分别作用下n个未监测点的应变响应权重，且
[0079]
根据模态叠加原理，当轻量化舱体结构产生振动响应时，结构在任意初始条件下的振动响应都是所有固有振型的线性叠加。当结构产生振动响应时，针对监测点，轻量化舱体结构的振动应变响应为多个载荷同时作用在轻量化舱体上时的振动应变响应，即：
[0080][0081]
其中，m表示监测点，ε”1
,ε”2
…
,ε”m
分别为矩阵ε”m
中的矩阵元素，和分别表示不同模态下m个监测点的模态
应变响应，ω”1
，ω”2
和ω”b
分别表示不同模态下m个监测点的模态应变响应的权重；表示在不同模态下m个监测点的模态应变响应矩阵，且ω'b×1表示不同模态下m个监测点的模态应变响应权重，且
[0082]
在本实施例中采用6阶模态分析，其模态应变图分别如图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)和图3(f)所示。
[0083]
同理，能够得到轻量化舱体结构上的未监测点的轻量化舱体的振动应变响应ε”n
为
[0084][0085]
其中，n表示未监测点，ε”1
,ε”2
…
,ε”n
分别为矩阵ε”n
中的矩阵元素，和分别表示不同模态下n个未监测点的模态应变响应，ω”1
，ω”2
和ω”b
分别表示不同模态下n个未监测点的模态应变响应的权重；表示在不同模态下n个监测点的模态应变响应矩阵，且ω'b×1表示不同模态下n个未监测点的模态应变响应权重，且
[0086]
当系统由于载荷产生应变或者因为自身振动应变时，不同的载荷会对应其载荷-应变向量，不同的模态对应其模态-应变向量，那么所有的载荷引起的应变可表示为载荷-应变矩阵，所有的模态-应变向量可以表示为模态-应变矩阵，这两个矩阵的列与列之间不存在线性关系，那么，其总应变可以以结构所承担载荷造成的应变与模态应变的叠加表示。因此本实施例将结构的载荷引起的应变与振动引起的应变进行叠加，针对监测点，轻量化舱体的应变响应εm为
[0087][0088]
其中，ε1,ε2…
,εm分别为矩阵εm中的矩阵元素；表示轻量化舱体上m个监测点的应变响应，且ω
(3+b)
×1表示轻量化舱体上m个监测点的应变响应的权重，且
[0089]
针对未监测点，轻量化舱体的应变响应εn为
[0090][0091]
其中，ε1,ε2…
,εn分别为矩阵εn中的矩阵元素；表示轻量化舱体上n个未监测点的应变响应，且ω
(3+b)
×1表示轻量化
舱体上n个未监测点的应变响应的权重，且
[0092]
由于在实际工程中，载荷及模态振型的数量一般大于测点的数量，所以依据最小二乘原理求解可得，
[0093][0094]
再将ω
(3+b)
×1及通过有限元分析获得的带入公式(6)中，即可求得监测点的应变值，实现应变场的重构。
[0095]
在具体实施阶段，首先进行结构的静力学仿真，首先依据服役的密封舱结构，创建结构的高保真模型，明确结构的材料属性及边界条件等。根据密封舱的服役工况，在运行过程中，主要重力及支撑力载荷导致的应变，加速度载荷导致的应变，充气载荷导致的应变，以及舱体振动造成得应变，根据上述四种应变情况进行有限元分析，获得对应工况下的应变响应。根据工程经验，确定测点位置，测点的位置以能够安装传感器以及应力集中处为主，也就是易产生损伤的地方。确定测点位置后，从有限元仿真获得的应变响应中提取对应工况的测点的载荷-应变响应数据，即与全场的载荷-应变数据对结构进行模态有限元分析，通过截取的模态有效质量应占全部有效质量的85％为准则，截取模态，确定模态阶数为b，并提取对应模态阶数下的测点以及全部点的模态-应变矩阵即与将受外力作用下的载荷-应变矩阵与振动响应下的模态-应变矩阵结合为载荷/模态-应变矩阵，即
[0096]
随后设计应变测量系统，获得结构在服役时下的所述测点的应变，进而重构密封舱的应变场。系统主要由传感器、解调仪、光缆组成。根据有限元仿真的结果在结构上安装fbg光纤光栅应变传感器，根据有限元分析结果，以应变最大的方向作为传感器的粘贴方向，当密封舱在服役过程中，结构的应变发生变化时，光纤光栅传感器的中心波长发生改变，传感器将波长变化传递给解调仪进行解调，通过对解调仪的输出数据进行处理，获得结构上传感器位置处即所述测点的应变数据εm。
[0097]
结合有限元分析得到的载荷/模态-应变矩阵与实验获得的测点的在多种因素共同作用下的实际的应变εm数据，根据式(6)和式(7)即可重构密封舱的应变场。
[0098]
本实施例基于有限元分析技术，获得结构的标定矩阵即模态-应变矩阵与在基本载荷系下的载荷-应变矩阵，通过载荷/模态-应变线性叠加原理的逆过程求解，实现铝合金轻量化加筋密封舱舱体结构的应变场重构；
[0099]
首先，搭建铝合金轻量化加筋密封舱的高保真模型，对结构进行有限元仿真，分析密封舱的服役工况，确定密封舱的受载类型，设计载荷的加载方法，获取结构的载荷-应变矩阵；其次，对铝合金轻量化加筋密封舱进行有限元模态分析，根据模态有效质量原则，确
定截取的模态数量，获取密封舱的模态-应变矩阵；再次，结合载荷-应变矩阵与模态振型矩阵，构建结构的载荷/模态-应变矩阵；搭建光纤光栅传感器应变测量系统，依据有限元数值仿真结果，在舱体上安装传感器并测量应变数据；最后，基于有限元仿真基准矩阵与测量系统测得的传感器的应变值，根据叠加原理的逆过程求解，实现密封舱的应变场重构。
[0100]
实施例二
[0101]
本公开实施例二介绍了一种轻量化舱体结构应变场重构系统。
[0102]
如图7所示的一种轻量化舱体结构应变场重构系统，包括：
[0103]
建模模块，其被配置为构建轻量化舱体结构模型；
[0104]
载荷应变响应模块，其被配置为对所构建的轻量化舱体结构模型进行不同载荷下的分析，得到不同载荷下的应变响应；根据所得到的不同载荷下的应变响应，计算轻量化舱体的载荷应变响应；
[0105]
模态振动应变响应模块，其被配置为对所构建的轻量化舱体结构模型进行不同模态下的振动分析，得到模态应变响应；根据所得到的模态应变响应，计算轻量化舱体的振动应变响应；
[0106]
结构应变场重构模块，其被配置为基于所得到的轻量化舱体的载荷应变响应和振动应变响应，计算轻量化舱体的应变响应，完成轻量化舱体的结构应变场重构。
[0107]
详细步骤与实施例一提供的轻量化舱体结构应变场重构方法相同，在此不再赘述。
[0108]
实施例三
[0109]
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
[0110]
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的轻量化舱体结构应变场重构方法中的步骤。
[0111]
详细步骤与实施例一提供的轻量化舱体结构应变场重构方法相同，在此不再赘述。
[0112]
实施例四
[0113]
本公开实施例四提供了一种电子设备。
[0114]
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的轻量化舱体结构应变场重构方法中的步骤。
[0115]
详细步骤与实施例一提供的轻量化舱体结构应变场重构方法相同，在此不再赘述。
[0116]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
[0117]
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。