基于光纤传感器的旋翼叶片位移与载荷估计方法研究
研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为Soeren Suesse（德国慕尼黑工业大学直升机技术研究所博士候选人）与Manfred Hajek（同研究所教授兼系主任），成果以会议论文形式发表于AHS International 74th Annual Forum & Technology Display（2018年5月，美国凤凰城），DOI编号10.4050/F-0074-2018-12770。
学术背景与研究目标
科学领域：该研究属于旋翼飞行器结构健康监测（Health and Usage Monitoring System, HUMS）领域，聚焦复合材料的实时形变与载荷分析。
研究动机：传统HUMS系统多针对传动系统监测，而旋翼叶片因高动态负载与复杂气动环境亟待精准监测手段。光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器凭借抗电磁干扰、耐腐蚀、高信噪比等优势，成为叶片状态监测的理想选择。
研究目标：开发一种基于FBG的二维位移与弯矩计算方法，无需有限元模型输入，仅依赖传感器位置信息即可实现高精度动态监测。
研究方法与流程
1. 理论模型构建
- 理论基础：基于欧拉-伯努利梁理论（Euler-Bernoulli beam theory），提出应变-位移-弯矩的二维转换算法。
- 关键方程：
- 中性轴定位：通过至少两个独立载荷工况下的应变测量，求解中性轴位置（公式1-2）。
- 曲率分离：将一维应变数据分解为挥舞（flapping）与摆振（lead-lag）方向的二维分量（公式3）。
- 位移计算：通过积分曲率得到叶片位移（公式5-10）。
- 弯矩计算：结合弯曲刚度（EI）与曲率计算二维弯矩（公式12）。
2. 实验设计与实施
- 实验对象：
- 无人机旋翼叶片（长1550 mm），采用碳纤维增强聚合物（CFRP）与泡沫芯层复合结构，截面几何非对称（图2）。
- 15个截面布置FBG传感器（每截面3-4个），沿展向非均匀分布（图4）。
- 设备与创新：
- 使用FBGs FBG-scan 804D光谱仪（4通道，500 Hz采样率），传感器直接粘贴于叶片表面。
- 开发中性轴定位与弯曲刚度计算的自主算法，无需有限元模型支持。
- 测试工况：
- 静态测试：通过叶尖单点加载（10种独立载荷方向）标定弯曲刚度。
- 动态测试：阶跃载荷释放试验验证位移与弯矩的动态响应。
- 分布式载荷测试：沙袋模拟均匀载荷，验证模型对不同负载分布的适应性。
3. 数据分析方法
- 蒙特卡洛模拟：评估模型对传感器噪声（高斯分布，±2%~10%）和位置误差（±1.75 mm）的敏感性。
- 快速傅里叶变换（FFT）：分析弯矩频谱特征，识别叶片固有模态（表1）。
主要研究结果
1. 弯曲刚度验证
- 实验测得摆振刚度（EIzz）与仿真（VABS模型）吻合良好，挥舞刚度（EIyy）存在15%~20%负偏差，归因于制造工艺差异（图5）。
- 多传感器组合（1,2,3,4）可将弯曲刚度计算误差降低至1.89%（表5）。
2. 动态性能
- 位移误差：激光位移传感器验证显示动态位移相对误差%（图7）。
- 弯矩频谱：FFT分析成功捕捉挥舞模态（6.9 Hz、38.2 Hz），而摆振模态未显着出现，证实应变分离算法的方向选择性（图8）。
3. 鲁棒性分析
- 抗噪声能力：10%应变噪声下，位移误差标准差仅1.68%，弯矩误差5.79%（表3）。
- 位置误差影响：位移计算对传感器位置敏感（1.75 mm误差导致31.58%偏差），但弯矩计算几乎不受影响（误差<1.5%），因中性轴与刚度误差相互抵消（图13）。
研究结论与价值
- 方法论贡献：提出首个基于FBG的二维旋翼叶片位移/弯矩实时计算框架，仅需传感器坐标输入，适用于非对称复合结构。
- 工程价值：为直升机同轴旋翼叶尖间隙监测、HUMS系统提供高精度数据源，误差%满足工程需求。
- 技术扩展性：算法可适配更大弦长叶片（传感器间距增大可进一步降低误差）。
研究亮点
- 创新性：首次实现无需有限元模型的二维弯矩实时解算，突破传统单维监测限制。
- 实用性：通过冗余传感器配置（每截面4个）显著提升抗噪声能力，适应复杂工况。
- 跨学科融合：结合光纤传感技术与梁理论，为结构健康监测提供新范式。
其他价值
- 故障诊断潜力：通过FFT分析弯矩频谱可检测结构损伤导致的模态偏移。
- 未来方向：计划在旋转环境下验证算法，并对比模态形状法的适用场景。
（注：专业术语如FBG、CFRP、VABS等首次出现时保留英文原词，后续使用中文译名。）