一种基于光纤力传感器的空中加油软管实时应力测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于光纤力传感器的空中加油软管实时应力测量方法，属于空中加油技术控制领域

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤力传感器的空中加油软管实时应力测量方法


[0001]本专利技术涉及空中加油软管力测量
，具体涉及一种基于光纤力传感器的空中加油软管实时应力测量方法
。

技术介绍

[0002]软式空中加油作为我国主流加油方式，其关键技术得到了广泛的研究，已被大多数加
/
受油飞机所采用
。
软式加油过程中，当受油机与加油机之间的相对速度差过大时，加油软管处于松弛状态，受周围外部高速流场以及自身重力的影响，软管发生剧烈的甩动，出现甩鞭现象，严重威胁着加受油任务的安全
。
现有卷盘回收装置利用加油吊舱内卷盘装置的收紧作用，调整软管的长度，减少软管的松弛余度，使软管的张力始终保持恒定，避免甩鞭现象的发生
。
[0003]加油吊舱卷盘系统通过力传感器测得吊舱出口位置处软管的张力值，与软管平稳拖曳状态下的张力值进行比较计算，获得软管的收放速度，对软管长度进行调整，抑制甩鞭现象的发生
。
然而，在实际加油对接初始阶段，加油锥套与受油插头接触的瞬间，软管末端
(
靠近锥套处
)
受到巨大的冲击力，此处张力将最早发生改变，传统传感器测量位置布局方案使加油软管的收放具有一定的滞后效果
。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是：
[0005]针对软管甩鞭情况下应力测量滞后的问题，本专利技术提供一种基于光纤力传感器的空中加油软管实时应力测量方法
。
能够实时将软管弯曲变形情况反馈给加油吊舱卷盘控制系统，同时光纤测量较电信号的测量对于空中加油场景下更具有安全性
。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于光纤力传感器的空中加油软管实时应力测量方法，其特征在于，所述方法包括：
[0008]基于绝对节点坐标建立空中加油软管单元的非线性动力学模型；
[0009]根据任意拉格朗日
‑
欧拉多体系统建模方法，对软管单元进行直接组装，建立软管锥套系统的组合体模型，并利用数值仿真分析，确定软管的应力监测位置；
[0010]以软管的应力监测位置为中心周向布放四个光纤力传感器，四个力传感器沿软管同一截面间隔
90
度角环绕布放，形成四象限传感器组合；
[0011]通过四个光纤力传感器测量加油软管应变，计算加油软管的弯曲角度和弯矩
。
[0012]本专利技术进一步的技术方案：所述基于绝对节点坐标建立空中加油软管单元的非线性动力学模型，包括：
[0013]将加油软管分为由多个节点单元组成的连续体，采用中心轴线模型，以物质坐标
s
表示软管中心轴线上任意点到参考点的弧长，软管单元节点的位移矢量
r(s,t)
可通过广义坐标系下的节点单元形函数矩阵
N(s)
随时间
t
的变化以及节点坐标
q
的乘积表示，表达式
为：
[0014]r(s,t)
＝
N(s)q(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0015]软管节点单元的形函数矩阵
N(s)
可表示为：
[0016]N(s)
＝
[N1(s)I,N2(s)I,N3(s)I,N4(s)I]ꢀꢀꢀ
(2)
[0017]式中，
I
为三阶单位阵，
N1，
N2，
N3，
N4为矩阵系数，表达式为：
[0018][0019]式中，
η
＝
s/l
，
l
为软管单元长度；
[0020]节点坐标
q
为广义坐标系下软管单元两节点的绝对坐标位置以及导数，具体为：
[0021][0022]式中，下标
s
表示
r(s)
对
s
的导数
。
[0023]利用虚功原理计算软管单元的动力学模型，表达式为：
[0024][0025]式中，
δ
W
i
为加油过程中软管单元受到的惯性力虚功
、
δ
W
e
为内力虚功，
δ
W
f
为外力虚功，
M
e
为软管单元的广义质量矩阵，
Q
e
为软管单元轴向及弯曲应变所对应的广义力，
Q
f
为软管单元外力所对应的广义力；
[0026][0027]式中，
ρ1为软管的线密度，
A
为软管的横截面积；
[0028]加油软管属于特殊的橡胶复合材料，存在粘弹性，软管单元轴向和弯曲应变对应的广义力为：
[0029][0030]式中，
E
为软管的弹性模量，
J
为软管横截面的惯性矩，
c
为软管的阻尼系数，
ε
为轴向应变，
κ
为软管的弯曲率；
[0031]软管的轴向应变及弯曲率可具体表示为：
[0032][0033][0034]式中，
r
s
表示
r(s)
的一阶导数，
r
ss
表示
r(s)
的二阶导数；
[0035]软管单元的广义重力
Q
fg
表达式为：
[0036][0037]其中，
G
＝
[0,0,g]T
；
[0038]作用在软管单元上其他外力
F
所对应的虚功
δ
W
of
为：
[0039]δ
W
of
＝
δ
r
T
F
＝
δ
q
T
N
T
(s)F
＝
δ
q
T
Q
of
ꢀꢀꢀ
(11)
[0040]故软管单元其他外力所对应的广义力
Q
of
为：
[0041]Q
of
＝
N
T
(s)F
ꢀꢀꢀ
(12)
[0042]加油过程中，软管单元受外部流场的作用会受到气动力影响，软管所受到的气动力包括气动摩擦力及气动压差力；
[0043]气动摩擦力
F
t
的方向与软管微元轴线方向平行，表达式为：
[0044][0045]式中，
d0表示软管外径，
C
t
表示软管表面摩擦系数，为软管微元的相对速度，
i
k
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于光纤力传感器的空中加油软管实时应力测量方法，其特征在于，所述方法包括：基于绝对节点坐标建立空中加油软管单元的非线性动力学模型；根据任意拉格朗日
‑
欧拉多体系统建模方法，对软管单元进行直接组装，建立软管锥套系统的组合体模型，并利用数值仿真分析，确定软管的应力监测位置；以软管的应力监测位置为中心周向布放四个光纤力传感器，四个力传感器沿软管同一截面间隔
90
度角环绕布放，形成四象限传感器组合；通过四个光纤力传感器测量加油软管应变，计算加油软管的弯曲角度和弯矩
。2.
根据权利要求1所述的基于光纤力传感器的空中加油软管实时应力测量方法，其特征在于，所述基于绝对节点坐标建立空中加油软管单元的非线性动力学模型，包括：将加油软管分为由多个节点单元组成的连续体，采用中心轴线模型，以物质坐标
s
表示软管中心轴线上任意点到参考点的弧长，软管单元节点的位移矢量
r(s,t)
可通过广义坐标系下的节点单元形函数矩阵
N(s)
随时间
t
的变化以及节点坐标
q
的乘积表示，表达式为：
r(s,t)
＝
N(s)q(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
软管节点单元的形函数矩阵
N(s)
可表示为：
N(s)
＝
[N1(s)I,N2(s)I,N3(s)I,N4(s)I]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
式中，
I
为三阶单位阵，
N1，
N2，
N3，
N4为矩阵系数，表达式为：式中，
η
＝
s/l
，
l
为软管单元长度；节点坐标
q
为广义坐标系下软管单元两节点的绝对坐标位置以及导数，具体为：式中，下标
s
表示
r(s)
对
s
的导数
。
利用虚功原理计算软管单元的动力学模型，表达式为：式中，
δ
W
i
为加油过程中软管单元受到的惯性力虚功
、
δ
W
e
为内力虚功，
δ
W
f
为外力虚功，
M
e
为软管单元的广义质量矩阵，
Q
e
为软管单元轴向及弯曲应变所对应的广义力，
Q
f
为软管单元外力所对应的广义力；式中，
ρ1为软管的线密度，
A
为软管的横截面积；加油软管属于特殊的橡胶复合材料，存在粘弹性，软管单元轴向和弯曲应变对应的广义力为：
式中，
E
为软管的弹性模量，
J
为软管横截面的惯性矩，
c
为软管的阻尼系数，
ε
为轴向应变，
κ
为软管的弯曲率；软管的轴向应变及弯曲率可具体表示为：软管的轴向应变及弯曲率可具体表示为：式中，
r
s
表示
r(s)
的一阶导数，
r
ss
表示
r(s)
的二阶导数；软管单元的广义重力
Q
fg
表达式为：其中，
G
＝
[0,0,g]
T
；作用在软管单元上其他外力
F
所对应的虚功
δ
W
of
为：
δ
W
of
＝
δ
r
T
F
＝
δ
q
T
N
T
(s)F
＝
δ
q
T
Q
of
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
故软管单元其他外力所对应的广义力
Q
of
为：
Q
of
＝
N
T
(s)F
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
加油过程中，软管单元受外部流场的作用会受到气动力影响，软管所受到的气动力包括气动摩擦力及气动压差力；气动摩擦力
F
t
的方向与软管微元轴线方向平行，表达式为：式中，
d0表示软管外径，
C
t
表示软管表面摩擦系数，为软管微元的相对速度，
i
k
＝
r
s

【专利技术属性】
技术研发人员：屈耀红，赵文碧，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：