基于RMF理论的柔性软管与直升机桨叶形态光纤监测方法
空中加油软管在高空高速坏境下，受到复杂气动载荷以及受油机在飞行过程中的头波效应，使得加油软管形态会产生复杂瞬态变化，导致形成“甩鞭”现象，造成安全隐患。同时，直升机桨叶由于本身的挥舞/摆振运动以及气动力产生的三维变形，易导致多片旋翼之间发生碰撞，造成直升机桨叶损坏，严重影响直升机飞行品质与服役安全。基于此，本文提出研究基于RMF理论与光纤传感器的柔性软管与直升机桨叶形态监测与反演方法。主要研究包括以下几个方面： 首先，从微分几何角度，分别研究对比了基于坐标转换理论、Frenet理论、最小旋转框架理论(Rotation-Minimizing Frames，RMF)的三种空间曲线形态重建算法及其特点。选取空间二维与三维标准曲线，先后验证了基于坐标转换理论与RMF理论的空间曲线形态反演重建效果。 其次，开展了基于最小旋转框架理论（RMF）的柔性软管三维形态反演算法研究与数值仿真验证。构建了柔性软管表面应变分布与软管三维形态特征之间的映射模型，设计了应变传感器螺旋倾斜布局形式，实现了软管弯扭组合应变解耦与三维形态重构。在此基础上，建立了柔性软管结构有限元仿真模型。基于数值仿真结果，验证并对比了基于坐标转换理论和RMF原理的两类柔性软管三维形态反演重建效果。 再次，开展了基于光纤Bragg光栅传感器的柔性软管三维形态反演实验研究。构建了柔性软管三维形态监测与反演实验系统，采用光纤Bragg光栅传感器倾斜布局形式，有效扩展了软管轴向应变感知量程。实验结果表明，RMF算法的柔性软管形态反演精度优于坐标转换方法。 接着，开展了基于最小旋转框架理论的直升机桨叶三维形态重建算法研究与数值仿真验证。选取了NACA0012对称翼型、NACA2412非对称翼型桨叶，设计了针对典型翼型桨叶结构的应变传感器布局形式。开展了上述两种桨叶构型的有限元建模，基于数值仿真结果，验证并对比了基于坐标转换理论和RMF算法的直升机桨叶结构三维形态反演重建效果。 最后，开展了基于光纤Bragg光栅传感器的直升机桨叶三维形态反演实验研究。分别构建了直升机桨叶静载变形监测系统、激振器激励桨叶动态变形监测系统以及旋翼塔桨叶变形监测系统，开展了针对不同服役工况的桨叶形态监测与重构实验。实验结果表明，基于RMF算法的直升机桨叶三维形态反演精度优于坐标转换反演方法。
直升机桨叶;柔性软管;形态监测;RMF理论;光纤传感器
南京航空航天大学
硕士
测试计量技术及仪器
曾捷
2022
中文
V224
2023-11-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）