空间伸展结构变形与振动分布式光纤监测研究

空间伸展结构是一种最基本的可展开折叠单元,广泛应用于大型展开天线、太阳帆板以及空间机械臂等航天领域,针对此类结构服役状态的智能辨识对于目前开展高轨深空探测研究具有重要意义。为此,提出一种基于准分布式光纤传感器的空间伸展结构变形与振动实时监测技术。借助MSC.Patran/Nastran有限元分析方法,数值模拟得到碳纤维复合材料柔性空间伸展结构在不同载荷作用下的应变、位移响应规律以及振动模态特征。分别研究了基于曲率和弧长信息曲线重构的结构变形反演算法,光纤光栅中心波长偏移量与振动特征关系解析模型,计算得到空间伸展结构沿展开方向不同位置的坐标信息。在此基础上,通过在柔性复合材料伸展结构展向布设离散光纤光栅传感器,实时采集应变分布与变化信息,进而推导相应位置曲率特征,实现不同加载模式下的伸展结构形态重构,变形反演相对误差约为2.5%。此外,借助准分布式光纤传感器不仅可以得到伸展结构对应的变形实时响应曲线,同时还能够获取其前三阶固有模态和振型特征,所测频率与仿真结果吻合度较好,平均误差约为0.67%。研究结果表明,所提方法具有非视觉测量、实时性好以及多种功能复用等优点,能够为未来及时准确获取空间伸展结构姿态,实现空间形态自适应调节与在轨振动主动控制提供有力保障。