学术研究报告
本文由J. Serafini、G. Bernardini、L. Mattioni（意大利罗马第三大学工程系）、V. Vezzari（Globalsensing S.R.L.公司）及C. Ficuciello（Italian Rotors Industries S.R.L.公司）合作完成，发表于2017年的*Journal of Physics: Conference Series*（期刊号882，文章编号012014）。研究聚焦直升机旋翼叶片的非侵入式动态测量技术，旨在开发一种基于光纤布拉格光栅（FBG, Fiber Bragg Grating）应变传感器的监测系统，用于叶片结构特性表征、质量检测及健康状态反馈。
学术背景与研究目标
直升机旋翼叶片在运行中承受复杂的气动弹性载荷，其结构完整性直接影响飞行安全。传统检测方法依赖离线无损检测（NDT, Non-Destructive Testing），存在监测盲区和高成本问题。本研究提出一种集成于旋转系统的实时监测方案，通过FBG传感器测量叶片的挥舞（flap）、摆振（lead-lag）和扭转（torsion）变形频率响应（最高250 Hz），并验证其在静态与旋转条件下的可靠性。研究目标包括：
1. 开发无需滑环或光学接头的轻量化传感器系统；
2. 通过实验识别叶片动态特性（固有频率、阻尼比）；
3. 探索该系统在结构健康监测（SHM, Structural Health Monitoring）和飞行状态反馈中的应用潜力。
研究方法与流程
1. 测量系统设计
- 传感器布置：6个FBG测点沿单根光纤排布（图1），其中5个用于应变测量（1、3、5号测点平行叶片展向，2、6号测点倾斜±45°），4号测点作为温度补偿参考。
- 信号处理：通过加权差分法分离不同变形模式（如挥舞变形由1号与5号测点差分计算，扭转变形由2号与6号测点差分计算）。
- 硬件集成：电池供电解调器安装于旋翼桅杆顶部，传感器通过氰基丙烯酸酯胶固定于叶片表面（图2），并用铝箔保护。
2. 静态测试（Non-Rotating Tests）
- 实验对象：超轻型直升机叶片，根部通过定制法兰固定（图3），可调节桨距角。
- 激励方法：
- 阶跃松弛（Step Relaxation）：通过释放悬挂重物激发低频模态；
- 锤击（Hammering）：覆盖宽频带响应；
- 振动激励（Shaking）：输入谱依赖性强。
- 数据分析：
- 瞬态响应频谱分析（图4-6）识别固有频率；
- 移动块技术（Moving Block Technique）计算阻尼比（表3）。
- 关键发现：
- 锤击法可识别高达250 Hz的高阶模态（图7-9）；
- 激励位置对低频模态能量分布影响显著（图8）；
- 实验与数值模拟的固有频率误差小于6.8%（表2）。
3. 旋转测试（Rotating Tests）
- 实验平台：T-22直升机主旋翼，8分钟悬停飞行测试。
- 数据采集：记录控制输入（如总距阶跃）与叶片响应（图11-12）。
- 频谱分析：
- 快速傅里叶变换（FFT）显示旋转模态频率与周期性响应峰值（图13）；
- 无量纲频率谱（ν=ω/Ω，Ω为旋翼转速）验证了挥舞刚性模态与一阶弹性模态（图14-15）。
- 挑战：飞行机动信号与损伤响应的区分需进一步研究（图17）。
主要结果与结论
- 技术可行性：FBG系统在旋转条件下稳定工作，无需滑环，飞行员未报告异常行为。
- 模态识别：静态测试中成功识别叶片前三阶挥舞（1.343 Hz、7.751 Hz、20.905 Hz）、一阶摆振（5.219 Hz）及三阶扭转模态（最高249.3 Hz）；旋转测试中频谱与理论预测误差%。
- 应用价值：
- 质量控制：通过频响差异检测制造缺陷；
- 健康监测：阻尼比变化（如二阶挥舞阻尼0.047-0.068）可作为损伤指标；
- 飞行反馈：实时区分刚性运动与弹性变形。
研究亮点
- 创新传感器系统：首个完全集成于旋转框架的FBG方案，解决了信号传输难题。
- 多模态激励策略：结合三种激励方法提升模态识别完整性。
- 工程转化潜力：为直升机智能叶片（Smart Blade）开发奠定基础，未来可结合无线供电与数据传输技术。
其他价值内容
- 局限性：高阶摆振模态因刚度差异难以激发；扭转惯性矩未在数值模型中体现。
- 未来方向：开发非电池供电方案（如桅杆同轴发电机），优化信号处理算法以区分机动与损伤信号。
本研究为直升机旋翼动态监测提供了可靠工具，兼具学术创新性与工程应用价值。