本发明属于结构变形测量与变形状态监测，尤其涉及一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，用于实现对连续复杂曲面的三维形态变形进行数字化重构。
背景技术：
1、提高资源利用率，降低碳排放等环境保护措施已经是国际社会的共同认识。作为主流能源，燃油效率的提升速度缓慢，降低飞行器，航行器等装备的运行阻力是当前重要的研究方向。目前高效率的飞行器，航行器普遍具有连续复杂曲面组成的外形，能有效地降低空气阻力和流体阻力。各种翼身融合飞行器，仿生水下机器人都具有上述特点。在此类设备的运行过程中，通常需要通过连续变形的方式调整设备外形，例如飞行器通过改变翼展，翼尖从而实现气动布局的改变，用于爬升或转向等操作。因此，对于此类具有可动连续曲面的设备，对其三维变形状态的实时监测能够辅助设备的开发、操纵和故障监测。当前主流的方式依然是通过外置视觉类辅助装置监控其运行状态，但是在一些能见度差或狭小的环境中受到严重的应用限制。
2、利用应变获取全场位移信息是一种准确、简便、不需要任何外接设备辅助，且对结构本身不会产生任何损坏的一种测试方法，是利用传感器阵列提供关键变形部位的特征信号，利用电阻-应变转换关系得到关键点应变值，输入应变-位移关系式得到全场应变，通过应变数据可以得到结构整个表面测点处的位移数据，通过曲面拟合，从而实现具有连续曲面特征的变形结构的三维形态实时重构，以实现不依赖相机等视觉客观外加设备，能与变形机构本体高度集成的工作状态监控系统。该系统可以根据待测目标客制化定制柔性传感器，采用的可调灵敏度柔性传感单元，可适用于各类大、小变形的工况，具有适用范围广，变形反馈精准度高等优势。
3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
4、(1)现有方法可以对结构表面位移数据进行测量，但均需要借助外部设备辅助，且容易受到结构本身的遮挡，无法准确测试结构表面的实时变形。
5、(2)商用传感器无法测量大变形，适用范围较小，不适用于发生大变形的结构。
6、(3)现有通过传感器获取结构表面变形数据的方法，仅适用于表面平整的硬质板、壳，且变形较为简单的结构，无法对复杂表面变形进行重构。
7、解决以上问题及缺陷的难度为：
8、(1)利用传感器对结构表面应变进行测量时，需要严格保证设备在不停工情况下安全运行，对测量装置具有较高的要求，测量精度应尽可能的高且测量设备体积应不影响设备安全运行。
9、(2)现有测量方法均需在结构上下表面黏贴传感器，无法测量外部封闭结构表面的变形情况，且对不同结构的适用性较差，难以找到统一的测量方法适用不同结构。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的问题，本发明目的是提供一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，能够不借助外部设备准确得到结构表面位移，并实现对非平整结构表面、复杂变形结构表面的实时准确重构，本发明构建的电阻-应变-位移关系能够应用于服役结构表面位移的实时重构，为判断结构运行状态与维修提供准确的测算数据。本发明具有成本低、结果准确、适用性广等优点。
2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
3、本发明公开的一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，包括如下步骤：
4、步骤1：测量待测目标表面形状参数，包括几何形状、厚度；确定待测目标的材料参数包括材料的弹性模量与泊松比。将待测目标表面划分为多个三角形单元，为了使离散后表面具有较高的保真性，三角形单元边长小于2mm。
5、步骤2：利用激光3d扫描设备对待测目标表面进行扫描，得到每一个三角形单元的节点坐标，利用3次多项式对所有的节点坐标进行拟合，得到待测目标表面的曲面方程：
6、ax3+by3+cz3+dx2y+exy2+fyz2+gxz2+hx2z+iy2z+jxyz+q＝0
7、根据拟合得到的多项式，计算得到表面任意节点位置的切平面方程：
8、fx(x0,y0,z0)(x-x0)+fy(x0,y0,z0)(y-y0)+fz(x0,y0,z0)(z-z0)＝0
9、
10、
11、
12、步骤3：关键点定义为应变大于2％的并且与步骤一中网格节点位置重合或者距离小于0.5mm的节点的位置，在结构表面利用黑色喷漆制作散斑图像，使用dic技术对待测目标在大变形过程中的表面应变数据进行测量，对应变数据进行分析，根据关键点定义确定关键点坐标。
13、步骤4：利用激光诱导石墨烯与液态金属制备量程大于10％应变的柔性传感器，将传感器黏贴在关键点位置处。根据关键点位置，对待测目标表面进行离散，划分成多个三角形区域。
14、步骤5：根据拟合得到的曲面方程，结合有限单元法，得到整个待测目标表面的理论应变与位移之间的关系：
15、
16、
17、
18、上式中，εxx、εyy、γxy分别为关键节处x方向拉伸应变、y方向拉伸应变与剪切应变。ux、uy、uz分别为关键节点的位移矢量：
19、ux(x,y,z)＝u+zφy
20、uy(x,y,z)＝ν+zφx
21、uz(x,y,z)＝w
22、该位移函数中共有5个变量，u＝u(x,y)，v＝v(x,y)表示节点x、y轴方向的位移，φx＝φx(x,y)，φv＝φv(x，y)，为绕x、y轴的转角，w＝w(x，y)为z方向的挠度。
23、利用拉格朗日插值函数对其进行表达：
24、
25、
26、
27、
28、
29、上式中，n，m，l均为有限单元法中的形函数。
30、步骤6：在结构变形过程中，实时采集传感器电阻信号的变化，利用电阻与应变之间的关系，将电阻变化大小转化为该关键点处的局部应变，电阻应变关系为：
31、
32、其中ε为节点处实时应变，δr与r分别为电阻变化值与原始电阻值，k为关联系数，通过对传感器进行标定得到。
33、步骤7：在理论应变与实测应变之间建立关联关系：
34、φλ(u)＝||e(u)-eε||2+||k(u)-kε||2+λ||g(u)-gε||2
35、其中φ为理论所得应变与实验测量应变间的关系函数，e(u)、k(u)、g(u)为理论应变场，eε、kε、gε为关键点处传感器测得应变值，λ为耦合系数，取值范围为10-8～10-5。对此关系进行求解，得到任意时刻关键节点处的空间坐标。
36、步骤8：根据步骤7中每一时刻计算得到的关键点空间坐标输入unity软件，软件中为与待测目标表面几何参数一致的数字孪生模型，基于关键点坐标得到任意时刻待测目标的变形程度，实现复杂曲面复杂变形的实时重构。
37、作为优选，基底材料为ecoflex，传感材料为蛇形曲线状的激光诱导石墨烯，导线为液态金属，两者通过导电银胶进行连接；通过改变传感功能材料的种类和传感器二维图案，实现对传感器量程和灵敏度的调节；
38、作为进一步优选，所述通过改变传感功能材料的种类和传感器二维图案，实现对传感器量程和灵敏度的调节，是通过下述方法实现的：
39、将传感功能材料更换为康铜，将传感器量程由0-20％减小至0-2％，灵敏度由30-50降低为2-6；通过修改蛇形导线的线条宽度，对传感器灵敏度进行调节，调节公式如下：
40、
41、上式中，s为灵敏度，l为线条宽度，n为常数，通过对传感器进行标定得到。
42、有益效果：
43、1、本发明公开的一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，采用离散应变信息准确、实时重构结构复杂变形，相比视觉重构方法，实现不借助外部设备准确得到结构表面位移，并实时重构结构3d表面的目的，为结构运行状态判断与维修提供准确的数据参考。
44、2、本发明公开的一种基于柔性传感器的复杂曲面复杂变形的实时重构方法，采用柔性传感器对结构表面应变进行测量，相比商用应变传感器，解决了传感器无法测量大变形的问题，增加了传感器的适用范围，具有能够适配不同的待监测目标的能力。
45、3、本发明公开的一种传感信号实时采集、传输及处理方法，采用小型化的数据采集卡与蓝牙装置实现传感信号的采集与无线传输，相较于传统有线采集，可以在设备不停机情况下对结构表面变形进行测量，在减小对设备影响的同时对其表面变形进行测试，不需要设备停机，保障了设备的安全运行。
46、4、本发明公开的一种dic辅助传感器布局优化方法，采用dic结果对结构表面应变进行分析与处理，根据处理结果优化传感器布局，实现单面黏贴传感器即可准确得到变形程度的目的，减少传感器使用，显著节约硬件消耗与数据处理成本。
47、5、本发明公开的一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，实现对非平整结构表面、复杂变形结构表面的实时准确重构。
1.一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，其特征在于：用于对任意具有连续平面或曲面可动结构的动态三维形态重构，以实现对待测目标实时运行状态的监测，包括下述步骤：
2.如权利要求1所述一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，其特征在于：变形反馈软件选用unity软件。
3.如权利要求1所述一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，其特征在于：步骤4所述传感器，基底材料为ecoflex，传感材料为蛇形曲线状的激光诱导石墨烯，导线为液态金属，两者通过导电银胶进行连接；通过改变传感功能材料的种类和传感器二维图案，实现对传感器量程和灵敏度的调节。
4.如权利要求3所述一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，其特征在于：所述通过改变传感功能材料的种类和传感器二维图案，实现对传感器量程和灵敏度的调节，通过下述方法实现：
5.如权利要求1所述一种复杂曲面复杂变形的实时重构方法，其特征在于：所述电阻应变转化公式为：
