CN106596586A - 基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法 - Google Patents

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张梦诚
张锦光
丁国平
张家祥
杨沫
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明提出基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，将光纤光栅传感器埋入复合材料胶接接头内，胶接接头损伤过程中光纤光栅传感器的反射光谱会发生变化，本发明利用光谱仪测出复合材料胶接接头处的反射光谱，然后利用遗传算法将测得的反射光谱进行重构，得到复合材料胶接接头处的应变分布，最后与有限元分析得到的复合材料胶接接头被粘物的应变分布变化与胶层损伤演化的映射关系模型进行对比，进而判断复合材料胶接接头是否出现损伤。本发明可实现复合材料胶接区非均匀应变的测量，增加了复合材料胶接接头部位损伤监测的精确性。

Description

基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法
技术领域
本发明属于复合材料胶接接头监测的技术领域，尤其涉及基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法。
背景技术
先进复合材料因其比强度高、比刚度高、抗疲劳性能优良和材料铺层可设计性等优点而成为改善产品性能的关键材料，被广泛应用于航空、航天、汽车等工程领域。胶接连接接头是复合材料结构设计的核心部分。与机械连接相比，胶接连接具有轻质、不破坏纤维结构、连续性好、设计灵活性强等优势。然而由于复合材料胶接接头内部存在新的结合界面，损伤形式更为复杂，因此采用有效的复合材料胶接接头监测手段，及时预警其损伤，是复合材料结构设计安全可靠的有效保证。目前复合材料结构损伤监测技术中常用的传感器有压电元件、电阻应变丝、疲劳寿命丝、智能涂层和真空度比较传感器等，然而复合材料胶接接头体积小，损伤位置应力复杂，传统的传感器很难胜任，光纤光栅传感器因其具有体积小、重量轻、灵敏度高、易埋入、与复合材料相容性好、能够实现一纤多点测量等优势，非常适合于复合材料胶接接头的损伤监测。
现有的复合材料胶接接头损伤监测的方法主要有两种。一种方法利用光纤光栅反射谱中心波长的漂移来进行应变的测量从而实现损伤识别的。然而复合材料胶接接头在服役过程中所受的应变是非均匀的，尤其是损伤发生时，局部应力集中严重且变化梯度大,只能实现传感区域平均应变的测量，这势必会丢失损伤区域应变场的应变梯度信息，对胶接接头损伤区域应变识别必然造成很大的误差，导致胶接接头的损伤与失效很难准确判别和预测。另一种方法是依靠光纤光栅(FBG)反射光谱的变化规律与损伤增长的映射关系来监测胶接接头的损伤。然而只有在胶接接头的应变分布发生突变时，FBG反射光谱才有明显的变化，其不能实现损伤的预警，且损伤监测精度差。相比于以上方法，应变分布保留了应变场的应变梯度信息，反映了真实的胶接接头应变场特征，应变分布信息更能准确、直观地反映出损伤的萌生与拓展，应变分布信息与胶层损伤演化的映射关系对于结构损伤监测更具有重要意义。因此，为了更准确有效的对复合材料胶接接头的损伤进行监测，非常有必要寻求一种可实现复合材料胶接接头光纤光栅传感区非均匀应变测量方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，有效的改善了现有复合材料胶接接头损伤监测方法精度差、损伤预警困难等问题，实现了对复合材料胶接接头损伤的监测与预警，提高了复合材料胶接接头部位损伤监测的精确性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)将光纤光栅传感器埋入接头处的胶接区的复合材料层内，将光纤光栅传感器通过耦合器与宽带光源、光谱仪上的通道口相连，光谱仪通过数据线与计算机相连；
S2)利用内聚力单元模型建立复合材料胶接接头有限元分析模型，应用有限元分析得出复合材料胶接接头处被粘物的应变分布变化与损伤演化的映射关系模型；
S3)利用光谱仪测出复合材料胶接接头处待测区的反射光谱，计算机进行光谱信息的处理；
S4)利用遗传算法，将测得的反射光谱进行重构，得到复合材料胶接接头处的应变分布；
S5)利用得到的应变分布与有限元分析得到的应变分布变化与胶层损伤演化的映射关系进行对比，判断复合材料胶接接头是否出现损伤。
按上述方案，所述步骤S1)中光纤光栅传感器的埋入位置靠近胶层，埋入方向与复合材料内部增强纤维的方向平行。
按上述方案，所述步骤S3)中包括如下内容：宽带光源通过发射激光，通过光纤传入光纤光栅传感器，经过光栅反射，反射光谱通过光纤传入光谱仪中，最后光谱仪将光谱信息传入计算机。
按上述方案，所述步骤S4)中所述遗传算法的操作对象为应变分布参数εk＝[εk(1),εk(2),…εk(n)](其中n为独立变量，εk表示当前种群中的第k个个体的应变分布，εk(n)表示当前种群中第k个个体的第n个变量)，所述应变分布参数通过高阶拟合生成的数学表达式表示所述应变分布。
按上述方案，所述遗传算法的目标函数是由所述高阶拟合生成的数学表达式计算的反射光谱与实际监测到的反射光谱的差值。
按上述方案，所述光纤光栅传感器埋入接头处的胶接区的复合材料的最外层和次外层之间。
本发明的有益效果是：提供基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，基于遗传算法完成了光纤光栅传感区应变分布的重构，实现了复合材料胶接接头光纤光栅传感区非均匀应变测量，很大程度的提高了复合材料胶接接头部位损伤监测的准确性；根据应变分布变化与胶层损伤演化的映射关系，可监测复合材料胶接接头损伤的萌生与拓展，实现了对复合材料胶接接头损伤的监测与预警。
附图说明
图1为本发明一个实施例的设备分布图。
图2为本发明一个实施例的监测方法流程图。
图3为本发明一个实施例的有限元分析得出的复合材料的应变分布图。
图4为本发明一个实施例的光谱仪测得的光栅传感区的反射光谱图。
图5为本发明一个实施例的基于遗传算法的应变分布重构流程图。
图6为本发明一个实施例的基于遗传算法的应变分布重构图。
其中：1.复合材料，2.胶层，3.宽带光源，4.耦合器，5.光谱仪，6.计算机，7.光纤光栅传感器。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。
如图1-2所示，基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，将光纤光栅传感器7靠近胶层2埋入(埋入接头处的胶接区的复合材料1的最外层和次外层之间)，埋入方向与复合材料内部增强纤维的方向平行，利用有限元分析软件，分析得到复合材料胶接接头被粘物的应变分布变化与胶层损伤演化的映射关系模型，然后利用光谱5仪测出复合材料胶接接头处待测区的反射光谱，利用遗传算法将测得的反射光谱进行重构，得到复合材料胶接接头处的应变分布，最后与有限元分析得到的复合材料胶接接头被粘物的应变分布变化与胶层损伤演化的映射关系模型进行对比，进而判断复合材料胶接接头是否出现损伤，实现了基于光纤光栅应变分布重构的复合材料胶接接头胶层损伤监测。
基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法主要包括以内容：
(1)将光纤光栅传感器埋入接头处的胶接区的复合材料层内，将光纤光栅传感器通过耦合器4与宽带光源3、光谱仪上的通道口相连，光谱仪通过数据线与计算机6相连；
(2)利用内聚力单元模型建立复合材料胶接接头有限元分析模型，应用有限元分析得出复合材料胶接接头处被粘物的应变分布变化与损伤演化的映射关系模型，结合图3可以得到本实例中碳纤维复合材料胶接接头被粘物的应变分布变化与胶层损伤演化的映射关系模型：
1)当应变峰值均在靠近胶粘剂端部处，且靠近胶粘剂端部的被粘件的应变随着载荷的增大逐渐变大时，胶层刚度未出现退化；
2)随着载荷的增大，被粘件靠近胶层端部的应变峰值逐渐向胶层中间偏移，靠近胶层端部的被粘件应变逐渐释放变小，此时胶层端部刚度正在退化；
3)随着载荷的增大，靠近胶粘剂端部的被粘件的应变逐渐趋向稳定，表征此时胶层端部的刚度完全退化；
(3)宽带光源通过发射激光，通过光纤传入光纤光栅传感器，经过光栅反射，反射光谱通过光纤传入光谱仪中，利用光谱仪测出复合材料胶接接头处待测区的反射光谱，最后光谱仪将光谱信息传入计算机，计算机进行光谱信息的处理，处理如图4所示；
(4)利用遗传算法将测得的反射光谱进行重构，得到复合材料胶接接头处的应变分布(见图5、图6)，遗传算法的操作对象为应变分布参数εk＝[εk(1),εk(2),…εk(n)](其中n为独立变量，εk表示当前种群中的第k个个体的应变分布，εk(n)表示当前种群中第k个个体的第n个变量)，应变分布参数通过高阶拟合生成的数学表达式表示应变分布，遗传算法的目标函数是由高阶拟合生成的数学表达式计算的反射光谱与实际监测到的反射光谱的差值，该结果也表明了不同载荷下重构的应变分布曲线与理想应变分布曲线的误差很小，曲线的特征一致性良好；
(5)将得到的应变分布与有限元分析得到的应变分布变化与胶层损伤演化的映射关系进行对比，判断复合材料单搭接胶接接头是否出现损伤。
以上所述的具体实施例，对本发明专利的目的、技术方案和有益效果进行进一步说明，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，不至于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、改进、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)将光纤光栅传感器埋入接头处的胶接区的复合材料层内，将光纤光栅传感器通过耦合器与宽带光源、光谱仪上的通道口相连，光谱仪通过数据线与计算机相连；
S2)利用内聚力单元模型建立复合材料胶接接头有限元分析模型，应用有限元分析得出复合材料胶接接头处被粘物的应变分布变化与损伤演化的映射关系模型；
S3)利用光谱仪测出复合材料胶接接头处待测区的反射光谱，计算机进行光谱信息的处理；
S4)利用遗传算法，将测得的反射光谱进行重构，得到复合材料胶接接头处的应变分布；
S5)利用得到的应变分布与有限元分析得到的应变分布变化与胶层损伤演化的映射关系进行对比，判断复合材料胶接接头是否出现损伤。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，其特征在于，所述步骤S1)中光纤光栅传感器的埋入位置靠近胶层，埋入方向与复合材料内部增强纤维的方向平行。
3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，其特征在于，所述步骤S3)中包括如下内容：宽带光源通过发射激光，通过光纤传入光纤光栅传感器，经过光栅反射，反射光谱通过光纤传入光谱仪中，最后光谱仪将光谱信息传入计算机。
4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，其特征在于，所述步骤S4)中所述遗传算法的操作对象为应变分布参数εk＝[εk(1),εk(2),…εk(n)](其中n为独立变量，εk表示当前种群中的第k个个体的应变分布，εk(n)表示当前种群中第k个个体的第n个变量)，所述应变分布参数通过高阶拟合生成的数学表达式表示所述应变分布。
5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，其特征在于，所述遗传算法的目标函数是由所述高阶拟合生成的数学表达式计算的反射光谱与实际监测到的反射光谱的差值。
6.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感的复合材料胶接接头的损伤监测方法，其特征在于，所述光纤光栅传感器埋入接头处的胶接区的复合材料的最外层和次外层之间。
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