工程科学技术领域的快速发展,使如今的航空航天飞行器结构愈加复杂,材料愈加先进,不仅可能带来新的安全问题,同时也使传统的安全问题愈加突出。美国太阳神无人机的空中解体事件表明了,含大展弦比柔性结构的飞行器在飞期间的变形监测具有十分重要的意义。美国哥伦比亚号航天飞机事故表明了绝热层材料脱粘事件的严重后果,而随着国家大力发展可重复使用飞行器,绝热层材料的脱粘在线监测问题变得更加重要。结构损伤一直以来都是飞行器结构安全的主要威胁之一,如今随着失效机理与传统金属材料大不相同的碳纤维复合材料在航空航天飞行器结构上的大量应用,结构损伤缺陷的在线监测具有更多的现实意义。近几年来,研究者们针对这几类结构安全问题开展了一系列的研究,发展了许多结构变形、绝热层脱粘和损伤缺陷的检测手段,但是依然缺乏可靠的结构状态在线监测方法。使用光频域反射原理解调的基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器是近20年来出现的新型光纤传感技术的产物,它不仅具有传统光纤传感器的性能特点,同时还具有高空间分辨率和较高的应变测量灵敏度等优点,是用于航空航天飞行器结构状态在线监测的理想工具。本文的目的是发展基于分布式光纤传感器网络的航空航天飞行器典型结构状态监测方法与策略,重点探索基于分布式光纤传感器的结构应变场监测方法、基于分布式光纤传感器网络的结构变形估计方法与技术、绝热层结构脱粘识别方法与技术、结构损伤缺陷监测方法与技术等。文章的研究内容和结果主要包括:(1)建立了悬臂板弯曲问题的哈密顿体系。在哈密顿体系下,各种工况问题归结为了对结构的外载荷,各种边界条件以及边界上的各种外载荷分布等。进一步地,将各工况问题转化为哈密顿正则方程的非齐次项问题,从而得到一般性的问题。通过求解基本问题的本征值和本征解,得到以级数表示的解析解。对级数解的有限截断,将具体问题归结为确定本征解系数问题,即代数方程组的求解问题。从而形成一种辛数值模拟方法。在哈密顿体系下,建立了表面应变与中面应变、曲率和位移等之间的关系表达式。(2)基于表面粘贴及内部埋入两种耦合方式,分别建立了分布式光纤传感器、粘接层、涂覆层和被测结构的多层耦合结构模型。根据力学原理确定出结构应变和光纤应变信息的关系和规律,从而得到结构与光纤的应变传递效率函数表达式。该应变传递效率表示方法不仅归纳总结了线式应变传感器应变传递率的影响因素,还揭示了其变化规律和空间分布特点。(3)研究了分布式光纤传感器的应变监测方法。利用几何非线性结构的应变测量数据,分析了测点标距长度和测点中心距离等核心参数对应变测试数据的影响。讨论了分布式光纤传感器埋入碳纤维复合材料层合板的工艺,并开展了包含固化过程监测和载荷工况下的应变场监测在内的复合材料结构全寿命状态监测研究。讨论了高密度应变信息的成像方法,并在考虑了时间或空间等因素情况下对结构应变场进行了重构。(4)开展了基于高密度应变信息的结构变形估计方法研究,并给出了由分布式光纤传感器应变信息获取弯曲变形结构横向位移的计算公式的有限差分形式。基于悬臂结构弯曲试验的结果分析和讨论了分布式光纤传感器在弯曲问题中测量横向位移误差的原因,提出了结合有限元分析和百分表测量结果的分布式光纤传感器应变测量数据修正策略,并经过试验结果证实,该策略能显著提高分布式光纤传感器测量结构变形的精度。(5)开展了基于分布式光纤传感器的绝热层结构脱粘识别方法研究。根据绝热层结构脱粘对结构基体抗弯截面系数的影响关系,提出了基于应变变化的绝热层结构脱粘识别方法。通过有限元分析和原理性试验结果,制定了合理的绝热层结构脱粘识别策略,通过对含绝热层结构的悬臂板施加弯剪耦合作用力而采集的高密度应变数据,验证了该方法的有效性,且脱粘边界定位精度达到了亚厘米级别。(6)开展了基于分布式光纤传感器的结构损伤识别方法研究,考虑结构损伤缺陷对应变场扰动可识别的极限距离,获取了分布式光纤传感器网络识别结构损伤缺陷的适用范围。通过构造损伤指标,研究了已知结构无损状态信息以及缺少结构无损状态信息情况下的损伤缺陷识别方法。通过试验研究发现,利用分布式光纤传感器网络进行结构损伤缺陷识别,能将裂纹尖端以毫米级的误差进行精确定位。本文的研究成果有助于航空航天飞行器结构的状态监测工程应用,对于提高航空航天飞行器在服役期间的安全性有重要意义。