基于光纤光栅传感器的飞机油箱表面复合材料板振动研究

陆 观，梁大开

(1.南通大学 机械工程学院，南通 226000;2.南京航空航天大学 智能材料与结构航空科技重点实验室，南京 210016)

碳纤维等复合材料凭借智能材料结构的兴盛应用越来越广泛，尤其在航空航天等领域。现今的飞机需求量使得复合材料用量随之增长，在A380、B787的结构材料中碳纤维复合材料有近30%［1－2］。然而复合材料对于低频振动十分敏感，易造成损伤［3］。而机翼油箱在飞行时受到的两种振源均为低频:不平稳气流造成的振动多为20 Hz左右;发动机冲程燃烧爆发压力以及输油惯性力产生的简谐振动多为20－50 Hz［4］。

因此，加强对飞机结构上复合材料层合板的振动研究，不仅能推动复合材料损伤机理和复合材料损伤容限设计方法的发展，而且对于提高复合材料的设计应用能力，增强飞机设计水平有着十分重要的意义［5］。本文基于光纤光栅振动信号频谱分析，对机翼油箱表面变截面碳纤维层合板的振动监测方法进行了研究。

1 光纤Bragg光栅传感器

当一束光进入Bragg光栅时，它能对满足光栅反射条件的入射光产生一种窄带反射。其基本原理式为［6］:

式中λ为反射波峰波长;Λ为光栅周期;n为有效折射率。

在受作用应力时由于光栅周期的伸缩及弹光效应引起波长改变。假设此时光栅只受到拉伸应变［7］:

式中l为光栅级数。因为文中所用成栅技术为双光束干涉法，由光栅周期［8］及式(1)、式(2)有:其中Pe为有效弹光函数［9］。由式(3)知恒温时光栅波长位移与纵向应变呈线性关系。可见在恒温下，光栅波长位移为应力引起的。

振动激励对复合材料结构的应力变化可以引起复合材料结构中Bragg光栅的波长偏移，因此可以将Bragg光栅用于复合材料结构振动研究。有着绝缘、轻薄等优点的光纤光栅传感器也比其他传感器更适用于飞行器材料的传感研究。

2 机翼油箱振动试验简介

对于飞机机翼油箱的振动研究中，测点布置应满足以下要求:测点能完整正确的体现飞机机翼油箱每阶振动形态;测点应该尽量均匀分布、对模态较密集以及主要研究的局部区域需要安排振动采集点;测点应该要方便正确的表示测点的振动特性，并要方便于测试之后的数据处理分析。下面将此试验的传感器排布方式及测点位置列出。

将光纤Bragg光栅粘贴于飞机机翼油箱表面试件，碳纤维材料为T300/QY8911，油箱试件尺寸为600 mm×300 mm×300 mm。飞机油箱表面复合材料板铺层厚度变化如图1所示，表面复合材料板最薄处为45 mm，最厚处为47.5 mm。试件采用四边固支方式，其中金属固支架的边框宽度为40 mm。在试件表明变截面碳纤维层合板上布置6个光纤Bragg光栅传感器，Bragg光栅传感器栅长为10 mm。有效面积为520 mm×220 mm的四边固支复合材料板，依据试验研究其一半区域，按照需要划分为4行、5列，长、宽均为40 mm的小格，基本都为变截面区域。由机翼油箱表面变截面复合材料碳纤维层合板振动试验需求、对称性、固支情况分析得出的结论，将传感器排布方案定为图1所示，各传感器的波长与位置见表1。图1同时也显示了激励点位置，在飞机油箱各个关键受力点进行激振，满足飞机油箱动态分析要求。

图1 油箱表面变截面碳纤维板Fig.1 Carbon fiber sheet of Aerofoil fuel tank

表1 光栅波长与位置Tab.1 Wavelength and position of sensors

图2 飞机油箱振动监测系统Fig.2 Aerofoil fuel tank vibration monitoring system

图2所示为飞机油箱振动监测系统，由光纤Bragg光栅传感器、激振设备、飞机油箱试件、SI425型光纤Bragg光栅解调仪、计算机以及支架组成。本振动监测系统共用6个光纤Bragg光栅传感器，分为3路连接SI425型光栅解调仪，均可以250 Hz频率同时扫描信号。系统采用HEV－02型激振器及HEA－S功率放大器以激励机翼表面变截面碳纤维层合板，激振器是用弹性绳悬挂在一个可移动的支架上，利用紧固件和飞机油箱表面变截面复合材料碳纤维层合板连接。利用解调仪实时监测传感器的中心波长偏移值，再把动态信号输入到计算机进行处理。

激振器工作时，飞机油箱由于受到垂直作用的振动激励应力而引发应变，因为激振信号是正弦波，飞机油箱表面变截面复合材料碳纤维层合板随着激振器往复振动，使得粘贴在飞机油箱上的传感器随之受拉或者受压，所以光栅传感器中心波长偏移值反应了飞机油箱表面变截面复合材料碳纤维层合板的振动情况。

3 振动试验结果与分析

激振器的输出电流为2 A，激励频率从10 Hz到120 Hz变换，光栅传感器中心波长的偏移随着频率的改变而不一致。20～40 Hz频带对应的中心波长偏移明显，所以对于飞机机翼油箱试件，20～40 Hz频带的振动容易引发飞机油箱的谐振。下面重点研究20～40 Hz正弦波激励情况下，飞机机翼油箱的振动响应情况。

首先分析激励飞机油箱表面变截面复合材料碳纤维层合板上的1号激励点时，激励信号设为22 Hz的正弦波时，输出电压峰值为2 V以及3 V时，光栅传感器网络监测到的振动响应信号频谱见图3及图4所示。图中的传感信号从上到下为1－6号传感器。

从图3及图4可知，当激励飞机油箱表面变截面复合材料碳纤维层合板上的1号激励点时，对振动时域信号进行傅里叶变换获得频谱图，依据频谱图分析得出油箱的振动响应信号频率为22 Hz，处理分析后得出分析表2及以下的结论:电压峰值为2 V及3 V时传感器频谱分析与传感器位置距离激励点的远近基本一致;电压峰值2 V和3 V时传感器频谱分析与传感器所处复合材料层合板位置的厚度基本一致;传感器频谱分析与电压峰值的大小基本一致，电压峰值3 V时振动响应频谱图幅值为2 V时的1.5倍左右。其他频率的激励信号也有上述规律。

近一步分析激励2号激励点激励信号设为24 Hz正弦波时，当输出电压峰值为2 V及3 V时，光栅传感器网络监测的振动响应信号的频谱见图5及图6所示。图中所示的传感网络信号从上到下为1－6号传感器。

表2 22Hz时激励点1传感网络的振动分析表Tab.2 Frequency spectrums of 22 Hz at point 1

从图5及图6可得知，当激励2号激励点时，对油箱振动时域信号进行傅里叶变换得出频谱图，依据频谱图分析得出油箱振动响应信号的频率是24 Hz，处理分析后得出分析表3及与1号激励点相同的结论:传感器频谱分析与传感器位置距离激励点的远近基本一致;传感器频谱分析与传感器所处复合材料层合板位置的厚度基本一致;电压峰值3V时振动响应频谱图幅值为2V时的1.5倍左右。

表3 24 Hz时激励点2传感网络的振动分析表Tab.3 Frequency spectrums of 24 Hz at point 2

近一步分析激励3号点信号设为30 Hz正弦波时，当输出电压峰值为2 V及3 V传感器监测的油箱振动响应信号频谱如图7及图8所示。图中所示光栅传感网络监测的油箱振动信号从上到下为1－6号传感器。

图7 30 Hz、2 V时激励点3传感网络的振动频谱图Fig.7 Frequency spectrums of 30 Hz、2 V at point 3

从图7及图8可知，当激励飞机油箱上的3号激励点时，对油箱振动时域信号进行傅里叶变换获得频谱图，依据频谱图分析得出油箱振动响应信号的频率是30 Hz，处理分析后得出分析表4及与1、2号激励点相同的结论:传感器频谱分析与传感器位置距离激励点的远近、传感器所处复合材料层合板位置的厚度、电压峰值大小基本一致，电压峰值3 V时振动响应频谱图幅值为2 V时1.5倍左右。

图8 30Hz、3V时激励点3传感网络的振动频谱图Fig.8 Frequency spectrums of 30 Hz、3 V at point 3

表4 30 Hz时激励点3传感网络的振动分析表Tab.4 Frequency spectrums of 30 Hz at point 3

综上分析3个不同的激励点下传感网络监测的振动响应信号频谱图，得到以下结论:冲击点位置不同影响了振动信号频谱图，1号及3号激励点振动信号频谱图幅值较明显，2号激励点振动频谱图除5号传感器外都不明显;传感器方向不同影响了振动信号频谱图，3号激励点下4号传感器的信号频谱幅值比1号激励点下5号传感器的要大，这与3号激励点下4号传感器属于标准轴向受振动有关。

利用光纤Bragg光栅传感网络对飞机油箱表面变截面复合材料碳纤维层合板不同位置的振动进行监测，研究结果表明:传感网络监测的振动响应信号幅值与功率放大器电压峰值的大小成正比;传感器频谱信号幅值与传感器位置距离激励点的远近有关;传感器频谱信号幅值与传感器所处复合材料层合板位置的厚度有关。上述结论为飞机油箱动态载荷监测提供了一定的试验参考。

4 结论

飞行器在飞行的过程受多种低频振动情况影响，复合材料结构一旦受到了振动激励，就会产生低频振动损伤问题。在产生振动激励时就监测到复合材料结构上的振动信号，就可以记录下可能造成的损伤情况。这样具有潜在危害性的低频振动损伤就可以尽可能检测出来。

本文利用机翼油箱结构中布拉格光纤光栅传感器受到振动激励后中心波长随应力变化这一特性，在恒温下用Bragg光栅对油箱表面变截面碳纤维层合板受到的低频振动信号进行监测。试验表明布拉格光纤光栅传感器可以探测复合材料振动信号，并得到了能够为飞机油箱动态载荷监测提供一定参考依据的试验结论。

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