周 林,曾 捷,李 鈺,李志慧,郭曉華,龔曉靜,王 珂,梁大開(kāi)

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210016; 2.上海衛(wèi)星裝備研究所,上海 200240; 3.中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211106; 4.圖盧茲大學(xué)法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心航空結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室,法國(guó) 圖盧茲)

?

空間環(huán)境鋁合金板結(jié)構(gòu)熱屬性光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

周 林1,曾 捷1,李 鈺2,李志慧2,郭曉華3,龔曉靜4,王 珂2,梁大開(kāi)1

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210016; 2.上海衛(wèi)星裝備研究所,上海 200240; 3.中航工業(yè)金城南京機(jī)電液壓工程研究中心航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 211106; 4.圖盧茲大學(xué)法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心航空結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室,法國(guó) 圖盧茲)

針對(duì)空間結(jié)構(gòu)受熱循環(huán)載荷作用而影響航天器功能與安全的情況，采用溫度補(bǔ)償方法，對(duì)基于分布式光纖傳感器的板結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變和熱變形測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，提出了一種基于光纖應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣的鋁合金板熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，考慮了材料橫向應(yīng)變對(duì)結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)測(cè)量精度的影響，可為各向異性復(fù)合材料構(gòu)件多方向熱膨脹系數(shù)測(cè)量提供理論支持。研究表明：溫度-70～100 ℃范圍內(nèi)，鋁合金板所受熱應(yīng)變引起光纖光柵中心波長(zhǎng)偏移量約462.4 pm，中心波長(zhǎng)偏移量與溫度的相關(guān)系數(shù)約0.999；在溫度100 ℃熱載荷作用下，鋁合金板在橫、縱向變形量均約0.75 mm；鋁合金板熱膨脹系數(shù)隨溫度變化呈現(xiàn)非線性，低溫下不能將鋁合金材料熱膨脹系數(shù)近似為常數(shù)。研究為后續(xù)航天器空間服役狀態(tài)在軌監(jiān)測(cè)提供參考。

空間環(huán)境； 熱循環(huán)載荷； 鋁合金板； 光纖光柵； 應(yīng)變轉(zhuǎn)換； 熱應(yīng)變； 熱變形； 熱膨脹系數(shù)

0 引言

鋁合金材料具有較高的剛度比、強(qiáng)度比，良好的抗腐蝕性和抗疲勞性能，已廣泛用于航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域[1-2]。鋁合金結(jié)構(gòu)在高低溫?zé)嵫h(huán)載荷作用下長(zhǎng)期服役，材料內(nèi)部由于溫度梯度存在，不可避免產(chǎn)生熱應(yīng)變，易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)熱變形與疲勞損傷，這對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性和安全性的影響巨大[3-4]。因此，開(kāi)展鋁合金結(jié)構(gòu)熱屬性監(jiān)測(cè)技術(shù)研究對(duì)提升航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)水平有重要意義。

材料熱屬性主要包括熱應(yīng)變、熱變形以及熱膨脹系數(shù)等，便捷準(zhǔn)確地獲得這些物理量，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用和前沿技術(shù)發(fā)展有重要價(jià)值[5-7]。文獻(xiàn)[8]采用數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)研究了衛(wèi)星天線熱真空變形狀態(tài)；文獻(xiàn)[9]基于數(shù)字圖像相關(guān)方法設(shè)計(jì)了一套非接觸高溫?zé)嶙冃螠y(cè)量系統(tǒng)，測(cè)試了不銹鋼試件在高溫下的熱變形和熱膨脹系數(shù)；文獻(xiàn)[10]用光纖傳感器對(duì)碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部熱應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)量；文獻(xiàn)[11]在液氦低溫條件下采用光纖光柵對(duì)聚合物熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量；文獻(xiàn)[12]用光纖布拉格光柵(FBG)傳感器研究了在模擬空間環(huán)境中測(cè)量樣本熱形變的可能性。FBG是一種具優(yōu)良抗電磁干擾、耐彎曲、芯徑細(xì)、耐腐蝕及易于分布式組網(wǎng)等特點(diǎn)的傳感器件，能滿足航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的諸多特殊要求[13-16]。應(yīng)用FBG傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能監(jiān)測(cè)航天器發(fā)射、在軌飛行和返航過(guò)程中的熱載荷與力學(xué)載荷以獲取航天結(jié)構(gòu)部件溫度和應(yīng)變分布特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)，為航天器結(jié)構(gòu)主要部件疲勞壽命和損傷評(píng)估提供依據(jù)。

傳統(tǒng)FBG模型用于材料熱膨脹系數(shù)測(cè)量時(shí)，僅考慮光纖光柵測(cè)量的縱向應(yīng)變，但結(jié)構(gòu)所受橫向應(yīng)變對(duì)熱膨脹系數(shù)測(cè)量精度也會(huì)產(chǎn)生影響。為此，本文以鋁合金板結(jié)構(gòu)為對(duì)象，分別研究基于溫度自補(bǔ)償原理的熱應(yīng)變、熱變形監(jiān)測(cè)方法和基于光纖應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣的熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高低熱循環(huán)載荷下鋁合金板結(jié)構(gòu)熱屬性監(jiān)測(cè)。

1 光纖光柵熱應(yīng)變傳感原理

溫度、應(yīng)變變化會(huì)引起光纖布拉格光柵周期和折射率的改變，從而導(dǎo)致光纖光柵反射光譜發(fā)生偏移。通過(guò)監(jiān)測(cè)反射光譜偏移量特征，就能獲取溫度和應(yīng)變分布與變化信息。

由耦合模理論可知：光纖布拉格光柵可將其中傳輸?shù)囊粋€(gè)導(dǎo)模耦合到另一個(gè)沿相反方向傳輸?shù)膶?dǎo)模而形成窄帶反射，峰值反射波長(zhǎng)(Bragg波長(zhǎng))λB可表示為

(1)

式中：neff為光纖光柵有效折射率；Λ為光纖光柵周期；λB為光纖光柵中心波長(zhǎng)[17-18]。式(1)被稱為Bragg條件。溫度與應(yīng)變交叉耦合變化引起的光纖光柵反射中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移量滿足關(guān)系

(2)

式中：ΔλB為光纖光柵中心波長(zhǎng)偏移量；Δneff為光纖光柵有效折射率變化量；ΔΛ為光纖光柵周期變化量[17-18]。式(2)也可表示為

(3)

式中：α為光纖材料熱膨脹系數(shù)；ξ為光纖材料熱光系數(shù)，ΔT為光纖光柵所處環(huán)境溫度改變量；pe為光纖材料有效彈光系數(shù)；ε為光纖光柵所受應(yīng)變量[19]。

當(dāng)光纖光柵傳感器僅感溫而不受力時(shí)，其中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移量可表示為

(4)

粘貼于被測(cè)結(jié)構(gòu)表面的光纖光柵中心波長(zhǎng)偏移量受兩個(gè)因素的影響：一是由高低溫?zé)嵫h(huán)載荷作用引起的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變，二是由溫度變化引起光柵的熱光效應(yīng)。因此，將式(3)、(4)相減，可得結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變引起的中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移量為

(5)

式中：p11，p12為光纖有效彈光系數(shù)；ε1，ε2，ε3分別為光纖光柵的軸向、徑向和法向感受的應(yīng)變。

2 基于應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣的熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法

通過(guò)構(gòu)建鋁合金板結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變和光纖光柵中心波長(zhǎng)偏移量的轉(zhuǎn)換矩陣，推導(dǎo)出鋁合金板結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。在考慮材料橫向應(yīng)變對(duì)光纖傳感器影響的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金板結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)的求解。

由式(5)可推得光柵所受熱應(yīng)變與中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移量間轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(6)

鋁合金板結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變與光纖光柵所感知熱應(yīng)變間轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(7)

式中：ν為光纖泊松比；e1，e2分別為鋁合金板在縱、橫方向產(chǎn)生的熱應(yīng)變。

建立鋁合金板面坐標(biāo)系X-Y-Z；定義光纖光柵FBG1軸向?yàn)閤軸，徑向?yàn)閥軸，法線方向?yàn)閦軸，建立光纖光柵傳感器坐標(biāo)系x-y-z，如圖1所示。其中：FBG1軸向與X方向間夾角為θ；FBG1徑向(即FBG2軸向)與X向間夾角為90°+θ；鋁合金板結(jié)構(gòu)表面自由放置僅感溫而不受力的溫度補(bǔ)償光柵傳感器FBG3。光纖光柵傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)膠接如圖2所示。

圖1 兩種坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.1 Transformation between two coordinate systems

圖2 光纖光柵傳感器膠接示意Fig.2 FBG sensor cementing

鋁合金板坐標(biāo)系與光纖光柵傳感器坐標(biāo)系對(duì)應(yīng)的熱應(yīng)變-坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣H可表示為

(8)

將式(7)、(8)代入式(6)，可得由熱應(yīng)變引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移量表達(dá)式為

(9)

式中：M為鋁合金板結(jié)構(gòu)所受熱應(yīng)變與光纖光柵中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移量間的轉(zhuǎn)換矩陣。

則光纖光柵傳感器FBG1、FBG2的中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移量分別為

(10)

式中：λ1，λ2，λ3分別為FBG1，F(xiàn)BG2，F(xiàn)BG3的初始中心波長(zhǎng)；Δλ1，Δλ2，Δλ3分別為溫度變化ΔT時(shí)，F(xiàn)BG1，F(xiàn)BG2，F(xiàn)BG3對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)偏移量；M1，M2為相應(yīng)的轉(zhuǎn)換矩陣。

聯(lián)立式(9)、(10)，可得鋁合金板結(jié)構(gòu)在X、Y向的熱應(yīng)變表達(dá)式為

(11)

由式(11)可得鋁合金板結(jié)構(gòu)在X、Y向的熱膨脹系數(shù)αX，αY分別為

(12)

通過(guò)改變光纖光柵傳感器與被測(cè)板結(jié)構(gòu)待測(cè)方向間的夾角θ，即可實(shí)現(xiàn)板結(jié)構(gòu)不同方向熱膨脹系數(shù)測(cè)量。

3 試驗(yàn)

建立高低溫環(huán)境鋁合金板分布式光纖熱屬性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3、4所示。該系統(tǒng)由鋁合金板試件、Agilent83437A寬帶光源、AQ6317C光纖光譜儀、Challenge系列CH250C型溫度環(huán)境試驗(yàn)箱、Pt100鉑電阻、MOISI130光纖光柵解調(diào)儀，以及計(jì)算機(jī)組成。

圖3 鋁合金板熱屬性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.3 Principle of thermal properties monitoring system

圖4 熱屬性監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Experiment system of thermal properties

試驗(yàn)中鋁合金板尺寸為200 mm×200 mm×2 mm。在鋁板中心位置(Site 1)布置兩支正交光纖光柵傳感器FBG1，F(xiàn)BG2，以及僅感溫不受力的溫補(bǔ)光纖光柵FBG3；在鋁板左上角(Site 2)布置兩支正交光纖光柵傳感器FBG4，F(xiàn)BG5，以及僅感溫不受力的溫補(bǔ)光纖光柵FBG6，如圖5所示。采用耐高溫CC-33A型膠水將這些傳感器粘貼于鋁合金板表面，再將粘貼有光纖光柵傳感器的鋁合金板以自由狀態(tài)放置于試驗(yàn)箱，如圖6所示。

圖5 光纖光柵傳感器布局Fig.5 Placement of FBG sensors

圖6 粘貼有光纖光柵傳感器的鋁合金板試件Fig.6 Aluminum alloy plate specimen with FBG sensors

鋁合金試件在高低溫循環(huán)過(guò)程中因熱脹冷縮而發(fā)生變形，采用光纖光柵解調(diào)儀獲取光柵中心波長(zhǎng)隨溫度變化實(shí)時(shí)信息。在-70～100 ℃溫度范圍內(nèi)，以恒定速率升溫，每上升10 ℃后保溫5 min。通過(guò)觀察光柵中心波長(zhǎng)穩(wěn)定情況，判別光纖光柵所在區(qū)域是否達(dá)到受熱平衡。待平衡后，記錄該溫度下對(duì)應(yīng)中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)。在光纖光柵傳感器附近布置鉑電阻，用于溫度標(biāo)定與補(bǔ)償。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 光纖光柵傳感器反射光譜溫度響應(yīng)特性

試驗(yàn)所得不同溫度下粘貼于鋁合金板表面的光纖光柵傳感器反射光譜如圖7所示。由圖7可知：隨著板面溫度升高，光柵反射光譜逐漸向長(zhǎng)波方向偏移，波形較平滑且旁瓣較小。此過(guò)程反射光譜偏移量主要由溫度引起的熱光效應(yīng)與結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變共同決定。由于柵區(qū)所受應(yīng)變較均勻，反射光譜未出現(xiàn)顯著的啁啾現(xiàn)象。

圖7 不同溫度下光纖光柵傳感器反射光譜Fig.7 Reflection spectrum of FBG sensors at different temperature

試驗(yàn)所得高低溫環(huán)境中光纖光柵傳感器的溫度靈敏度如圖8 所示。由圖8可知：鋁合金板面中心位置(Site 1)FBG1溫度靈敏度約37.0 pm/℃，F(xiàn)BG2溫度靈敏度約37.3 pm/℃，而補(bǔ)償光纖光柵傳感器FBG3溫度靈敏度約9.57 pm/℃。經(jīng)溫度補(bǔ)償計(jì)算，可得溫度-70～100 ℃范圍內(nèi)，鋁合金試件所受熱應(yīng)變引起的中心波長(zhǎng)偏移量約462.4 pm，熱應(yīng)變引起的中心波長(zhǎng)偏移量與溫度的相關(guān)系數(shù)約0.999。

圖8 光纖光柵傳感器溫度靈敏度曲線Fig.8 Temperature sensitivity curves of FBG sensors

4.2 鋁合金板熱應(yīng)變隨溫度變化特性

試驗(yàn)所得不同溫度下光纖光柵所在鋁合金板不同位置的熱應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。由圖9可知：在溫度變化范圍為-70～100 ℃時(shí)，在鋁合金板不同位置所測(cè)縱、橫方向熱應(yīng)變較接近，且均呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。幅值相差約0.7%。這是由鋁合金材料各向同性所致。

圖9 板面不同位置X、Y向熱應(yīng)變-溫度曲線Fig.9 Thermal strain of X, Y direction on different position under various temperature

4.3 鋁合金板熱變形隨溫度變化特性

為驗(yàn)證基于應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣的計(jì)算方法可得到鋁合金板熱變形特性，用ANSYS有限元軟件建立鋁合金試件幾何模型，劃分網(wǎng)格，模擬實(shí)驗(yàn)條件，施加溫度載荷，進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析。將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證本文方法的可行性。試件結(jié)構(gòu)(鋁合金)的幾何尺寸與材料屬性為：長(zhǎng)200 mm；寬200 mm；厚2 mm；泊松比0.3；彈性模量70 GPa。

設(shè)參考溫度為-70 ℃，對(duì)鋁合金板結(jié)構(gòu)以10 ℃為間隔分別施加-60～100 ℃的模擬溫度載荷，所得板結(jié)構(gòu)X、Y向變形特征結(jié)果分別如圖10、11所示。

圖10 鋁合金板X向熱致變形狀態(tài)Fig.10 Thermal deformation state of X direction on aluminum alloy plate

圖11 鋁合金板Y向熱致變形狀態(tài)Fig.11 Thermal deformation state of Y direction on aluminum alloy plate

由有限元仿真分析結(jié)果可知：在100 ℃熱載荷作用下，鋁合金板在X、Y向變形量約0.751 mm。實(shí)驗(yàn)所得鋁合金板在高低溫環(huán)境中熱變形隨溫度變化特性，如圖12所示。溫度從-60～100 ℃，X、Y向熱變形量均達(dá)到0.752 mm。與仿真結(jié)果比較，兩者相差約0.13%。

圖12 鋁合金板X、Y向熱變形隨溫度變化特性Fig.12 Thermal deformation characteristics of X, Y direction on aluminum alloy plate under various temperature

4.4 鋁合金板熱膨脹系數(shù)隨溫度變化特性

考慮鋁合金材料的連續(xù)性，其熱膨脹系數(shù)變化規(guī)律也會(huì)隨溫度變化而呈現(xiàn)連續(xù)性。在溫度-70～100 ℃范圍內(nèi)，以-70 ℃為初始溫度，計(jì)算每10 ℃間隔內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)，用最小二乘法多項(xiàng)式擬合數(shù)據(jù)表征鋁合金熱膨脹系數(shù)隨溫度變化規(guī)律。

對(duì)鋁合金板中心位置(Site 1)光纖光柵傳感器，以溫度T作為自變量，熱膨脹系數(shù)C作為因變量，得到不同溫度下縱、橫兩個(gè)方向熱膨脹系數(shù)擬合曲線函數(shù)CX(T)，CY(T)分別如圖13、14所示。

圖13 縱向熱膨脹系數(shù)溫度響應(yīng)曲線Fig.13 Temperature response curve of longitudinal CTE

圖14 橫向熱膨脹系數(shù)溫度響應(yīng)曲線Fig.14 Temperature response curve of transverse CTE

縱向熱膨脹系數(shù)擬合函數(shù)為

CX(T)=7.78×10-6T3-9.1×

10-4T2+0.03T+20.9

(13)

橫向熱膨脹系數(shù)擬合函數(shù)為

CY(T)=8.63×10-6T3-0.1×

10-2T2+0.03T+20.9

(14)

由圖(13)、(14)可知：鋁合金板在高低溫?zé)彷d荷作用下，隨著溫度升高，試件熱膨脹系數(shù)呈現(xiàn)出非線性特性，在-60～-10 ℃范圍內(nèi)，試件縱向熱膨脹系數(shù)隨溫度升高，從11.3×10-6℃-1逐漸增大至20.2×10-6℃-1；在30～100 ℃范圍內(nèi)，試件熱膨脹系數(shù)增長(zhǎng)較慢，溫度響應(yīng)曲線趨于緩和。

基于應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣的熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，將光纖光柵所測(cè)數(shù)據(jù)代入式(12)，可得鋁合金板在100 ℃作用下，縱、橫方向上熱膨脹系數(shù)分別為22.10×10-6，22.14×10-6℃-1，這與鋁合金材料理論熱膨脹系數(shù)范圍(18.8×10-6～23.6×10-6℃-1)基本符合。

傳統(tǒng)光纖光柵熱膨脹系數(shù)測(cè)量方法僅考慮材料縱向應(yīng)變，而忽略橫向應(yīng)變的影響。該方法將式(3)、(4)相減，得

(15)

式中：λB，λT分別為待測(cè)FBG與溫度補(bǔ)償FBG的初始中心波長(zhǎng)；ΔλB，ΔλT分別為溫度變化ΔT時(shí)，待測(cè)FBG與溫度補(bǔ)償FBG對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)偏移量；pe為光纖彈光系數(shù)；ε為光纖光柵所受應(yīng)變量；ε0為光纖光柵的軸向方向所感受應(yīng)變。與本文方法相比，該方法忽略了光纖光柵的徑向和法向方向感受的應(yīng)變。

ε0與熱膨脹系數(shù)α滿足關(guān)系

(16)

鋁合金板熱膨脹系數(shù)α1與FBG熱膨脹系數(shù)α2之差與應(yīng)變?chǔ)?成正比，有

(17)

則由式(15)、(16)、(17)，得到鋁合金板熱膨脹系數(shù)

(18)

將試驗(yàn)中光纖光柵傳感器FBG1和溫補(bǔ)光纖光柵FBG3所測(cè)數(shù)據(jù)代入式(18)，可得鋁合金板沿傳感器FBG1布置方向熱膨脹系數(shù)，即得出X向熱膨脹系數(shù)。同理可得鋁合金板Y向熱膨脹系數(shù)。

用應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣測(cè)量法與傳統(tǒng)光纖光柵測(cè)量法測(cè)得鋁合金板熱膨脹系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可知：傳統(tǒng)光纖光柵熱膨脹系數(shù)測(cè)量方法所得結(jié)果均較理論計(jì)算結(jié)果偏大，平均誤差達(dá)到1.37%，主要是由于僅監(jiān)測(cè)材料縱向應(yīng)變，忽略了材料橫向應(yīng)變的影響；本文的光纖應(yīng)變轉(zhuǎn)換方法能消除材料橫向應(yīng)變影響，使熱膨脹系數(shù)測(cè)量結(jié)果更接近于理論值，有助于降低測(cè)量誤差?？紤]在軌環(huán)境中，航天器受高低溫?zé)嵫h(huán)載荷影響，粘接光纖光柵傳感器和鋁板的膠水因周圍溫度大幅變化而致應(yīng)變傳遞性能改變，也會(huì)不同程度影響測(cè)量精度，因此，選擇性能穩(wěn)定的高低溫膠水較重要。

此外，在空間應(yīng)用中還有一些問(wèn)題需考慮。首先，F(xiàn)BG傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)膠接效果直接關(guān)系應(yīng)變測(cè)量精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)熱屬性監(jiān)測(cè)效果。其次，空間輻射環(huán)境可能會(huì)引起光纖光柵性能參數(shù)變化，如波長(zhǎng)漂移、反射率下降等，因此需考慮采用特殊屏蔽材料對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝。再次，未來(lái)可考慮研制基于FBG傳感器的應(yīng)變測(cè)量單元，用于提高傳感器性能的一致性和粘貼效率。

需特別指出的是，對(duì)各向異性材料，在空間環(huán)境中受高低溫?zé)彷d荷作用時(shí)，光纖橫向應(yīng)變常大于縱向應(yīng)變，因此更應(yīng)考慮橫向應(yīng)變對(duì)結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)測(cè)量的影響。本文的基于應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣的熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法可為后續(xù)航天領(lǐng)域各向異性材料(如復(fù)合材料)結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)測(cè)量提供幫助。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航天器結(jié)構(gòu)空間服役過(guò)程熱屬性監(jiān)測(cè)需求，本文研究了基于分布式光纖傳感器的鋁合金板結(jié)構(gòu)熱應(yīng)變和熱變形測(cè)量技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于光纖應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣的板結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法。研究發(fā)現(xiàn)：在溫度-70～100 ℃范圍內(nèi)，鋁合金板所受熱應(yīng)變引起的中心波長(zhǎng)偏移量約462.4 pm，熱應(yīng)變引起的中心波長(zhǎng)偏移量與溫度的相關(guān)系數(shù)約0.999。鋁合金板結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)隨溫度變化呈現(xiàn)非線性趨勢(shì)，但各向熱膨脹系數(shù)變化規(guī)律大致相同。在溫度-60～-10 ℃范圍內(nèi)，鋁合金板熱膨脹系數(shù)隨溫度升高而顯著增大，故不能將其熱膨脹系數(shù)近似為常數(shù)；在溫度30～100 ℃范圍內(nèi)，鋁合金板熱膨脹系數(shù)變化較慢，溫度響應(yīng)曲線趨于緩和。本文提出的基于光纖應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣的板結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法，通過(guò)改變傳感器與板結(jié)構(gòu)待測(cè)方向間夾角，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件多方向熱膨脹系數(shù)測(cè)量，為后續(xù)航天領(lǐng)域各向異性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)測(cè)量提供幫助。文中所述板結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法綜合考慮了結(jié)構(gòu)所受縱向與橫向應(yīng)變隨溫度響應(yīng)特征，有助于提升結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)測(cè)量精度。本文的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果吻合良好，驗(yàn)證了光纖應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣的板結(jié)構(gòu)熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法的可行性，可為空間環(huán)境中板結(jié)構(gòu)熱屬性監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持，為在地面環(huán)境板結(jié)構(gòu)熱屬性監(jiān)測(cè)提供新的方法。同時(shí)，本文所述方法對(duì)飛機(jī)、艦船等的板狀結(jié)構(gòu)部件在高低溫復(fù)雜工作環(huán)境中的健康監(jiān)測(cè)亦有一定應(yīng)用參考價(jià)值。

表1 100 ℃下用不同方法測(cè)量鋁合金板熱膨脹系數(shù)結(jié)果

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Monitoring Technology of Thermal Properties of Aluminum Alloy Plate Structure under Space Environment Based on Fiber Optic

ZHOU Lin1, ZENG Jie1, LI Yu2, LI Zhi-hui2, GUO Xiao-hua3, GONG Xiao-jing4, WANG Ke2, LIANG Da-kai1

(1. State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu, China; 2. Shanghai Institute of Spacecraft Equipment,Shanghai 200240, China; 3. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical System Integration, Nanjing Engineering Institute of Aircraft Systems (Jincheng) VIC, Nanjing 211106, Jiangsu, China; 4. French National Center for Scientific Research,Université de Toulouse, Toulouse, France)

Aiming at the situation that thermal cycle load effect acts on space structure and affects the function and safety of spacecraft, with temperature compensation method, measuring technology of the plate structure thermal strain and deformation based on distributed fiber optical sensors was carried out. Additionally, an aluminum alloy plate thermal expansion coefficient calculating method based fiber optical strain transfer matrix was proposed, which not only helped eliminating the influence of material transverse strain on measuring precision of structure thermal expansion coefficient, but also provided theory support for multidirectional thermal expansion coefficient measurement of anisotropic composite. This result shows when temperature ranges from -70 to 100 ℃, the center wavelength shift caused by thermal strain acting on aluminum alloy plate is 462.4 pm, and the correlation coefficient between center wavelength shift and temperature is about 0.999; aluminum alloy plate thermal deformations on transverse and longitudinal direction are both about 0.75 mm under thermal load of 100 ℃. Aluminum alloy plate thermal expansion coefficient takes on nonlinearity with temperature change, especially in low temperature, which is not approximate to constant. Research results may be benefit for in-orbit monitoring of spacecraft serve status in future.

space environment; thermal cycle load; aluminum alloy plate; fiber Bragg grating (FBG); strain transform; thermal strain; thermal deformation; CTE

1006-1630(2017)03-0108-08

2017-03-01；

2017-04-05

國(guó)家自然科學(xué)基金-聯(lián)合基金資助(U1537102)；上海航天科技創(chuàng)新基金資助(SAST2015062)

周 林(1991—)，男，碩士生，主要從事新型光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用研究。

曾 捷(1976—)，男，副教授，主要從事光纖傳感技術(shù)及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的研究。

TN253

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.03.015