基于分布式測量的應變場重構技術研究與應用

鄭龍剛,聶小華,韓 濤

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

1 引 言

飛機結構強度試驗是在地面模擬氣動載荷以考核飛機強度設計的重要環節。在試驗實施過程中,應變是評估飛機結構強度的重要指標之一。應變測量結果是飛機氣動特性和結構強度計算的重要依據,結構的受載狀態通常與應變分布狀態密切相關。隨著虛擬試驗技術的不斷發展,考慮實現應變場重構的全機應變插值技術是實現對全機應變場準確監測的關鍵解決方案之一。

文獻[1]研究了分布式光纖應變測量技術在飛機結構強度試驗中的應用,初步解決了分布式光纖傳感應變測量技術在試驗中應用的技術難題,填補了空白。但是該技術在全機試驗中的應用仍然處于探索階段,目前大規模的光纖分布式測量技術尚不成熟,仍需進行關鍵技術攻關。

文獻[2]針對光纖測量設備精度限制的測量方法的不足,提出了一種新的數據擬合算法,算法能夠準確捕捉結構測量數據變化,具有良好的現場適應性、分布式的優點,該技術為分布式測量數據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在溫度領域的應用情況、工作原理及發展現狀等,對本文分布式傳感器的應用提供了參考。

文獻[4]從光路遮擋、重構效率、測量精度等方面研究了自動化網絡重構算法,針對大尺寸任務變化情況下分布式測量網絡的重構問題,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]提出了從應變和溫度系數標定到分布式光纖傳感器物理量測量以及結果評價的方法,分析了分布式光纖傳感器測量結果的可靠性并設計了標定裝置,對本文分布式測量的標定和數據處理具有參考價值。

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

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據的誤差修正策略,所獲得的位移估計方法和誤差修正策略等對于結構變形估計問題有現實意義,對基于飛機位移響應的應變數據重構策略有參考價值。

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

本文開展了基于分布式測量的應變場重構技術研究,為基于應變三維插值的試驗實時監測提供了高效、穩定的算法,并提出了網絡拓撲、多元數據融合和可視化應用策略。

2 網絡拓撲分析及功能描述

2.1 部件拓撲分布

飛機結構強度試驗分布式測量系統與飛機結構的空間分布形式密不可分,傳統飛機強度試驗測量系統分布如表1所示,以機身、機翼、尾翼3個重點部件為主要分布節點,其中機身對應采集點1和網絡節點1,機翼對應采集點2和網絡節點2,尾翼對應采集點3和網絡節點3。在分布式測量拓撲設計過程中,采集點與應變測量分布式傳感器連接,負責初步數據采集,然后通過數據包上傳至控制中心,控制中心通過中轉傳輸至網絡中的多個節點,按表1節點分配關系,數據從控制點傳輸至節點1、節點2、節點3。

表1 節點部件對應關系

拓撲分布如圖1所示,上述測量系統的網絡拓撲是一個典型的分布式網絡測量系統架構。網絡測量系統由控制中心和分布在不同飛機部件空間位置的網絡測量節點構成。網絡測量節點和控制中心通過網絡相聯系,控制中心可以向網絡測量節點發送不同的控制命令來控制整個網絡拓撲測量系統的運行。

圖1 拓撲分布

2.2 網絡拓撲功能

網絡拓撲功能分層如圖2所示,該網絡拓撲測量系統功能分為3層:控制層、傳輸層與監控層。其他的數據傳輸、命令傳輸等功能都屬于數據傳輸層。各層功能描述如下:

圖2 網絡拓撲功能分層

(1)控制層由控制中心交互控制,在各工況測量設計階段進行分布式測量設計和傳感器參數配置和部署,其主要作用是精確控制網絡拓撲結構中各設備參數,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絡拓撲測量系統的數據傳輸運行,即控制層發送相應命令給測量節點,從而控制測量節點的測量工作,上傳的數據經過傳輸層到數據存儲中心進行存儲。

(3)監控層是網絡節點是否正常測量的關鍵層,監控層與傳輸層、控制層相互合作,保證整個網絡拓撲測量系統的正常運行。

3 插值策略研究及可視化實現

3.1 分布式插值策略

對以上部件應用分布式測量后,還要考慮對每個部件進行內部插值。

以機翼為例,其主體結構由梁、肋、桁條等子結構組成,各子結構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。根據單元的連續性,將梁、肋、桁條等結構有針對性地分解為獨立單元進行應變插值分析。由于飛機的內部結構多為平板型結構,所以假設在獨立的受力模塊上應變變化是連續的。首先,根據平面應變連續變化假設在結構平面上構造三角形網絡模型;其次,利用結構試驗測量點的應變值計算出子結構邊界的應變值;最后,利用三角形頂點坐標對整個模型進行應變插值計算,橫向子結構構建二維插值網格如圖3所示。

圖3 橫向子結構構建二維插值網格

縱向子結構的方向與飛機外部主體方向近似平行,受力和變形情況應該與飛機的外部結構類似,插值網格如圖4所示。

圖4 縱向子結構中心面二維插值網格

通過二維插值網格,可以計算每個位置在中性面上的曲率,然后根據子結構節點位置與中性面的距離,即可反求出相應節點的應變值。

3.2 數據重構可視化

首先需要確定繪制變量的類型,如果為單元變量,則需進行類型轉化,然后按照一定規律確定色譜,根據變量相對值選定顏色數值,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域填充法。首先,建立離散的物理場量值與顏色的映射關系。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,單元內部區域采用線性插值獲得對應的顏色。

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、算法簡潔的優點,但存在顯示質量不夠精細且易出現鋸齒狀邊界的缺點。顯示質量不夠精細主要體現在某一單元位移或者應變比較大的情況下,單元有可能跨兩個甚至多個顏色區域。若利用單元物理量平均值進行著色顯示,則缺少了跨區域的顏色信息。

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

圖5 網格云圖顯示算法

采用單元物理量平均值對邊界進行連續顯示時,在相鄰單元邊界會出現鋸齒形狀(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。

圖6 鋸齒狀邊界

4 結束語

本文提出的分布式測點布置方案在應變場重構中具有可行性,基于分布式應變測量的數據插值實現全機應變監測技術可以用于試驗應變監測中,主要結論如下:

(1)基于分布式測量的應變場重構技術可以應用在試驗規模較大的監控場景中,改善測量響應速率,通過測量資源的調配使預警監控技術更高效。

(2)所提出的網絡拓撲形式更有利于數據的傳輸和插值效率,同時在控制層通過權限分配改變數據的重構插值策略,有利于應變數據的高效傳輸和存儲。

(3)分析了網絡拓撲形式與分布式測量模式的適用性,通過提取分布式節點測量數據,對全機結構進行分部件插值,最終實現多元數據融合可視化。