CN106767475A - 一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法 - Google Patents
一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，步骤如下：1：选择并设计试样件；2：对试样件进行结构力学分析；3：在铝合金薄板上布贴光纤光栅传感器；4：根据有限元仿真结果反推光纤光栅传感器反射光谱图像规律；5：将以上贴有光纤光栅传感器的铝合金薄板安装在疲劳试验机上进行疲劳裂纹扩展试验；6：对传感器采集的信号进行处理；7：重复步骤1‑5，验证步骤6中建立的方法；8：判别裂纹是否扩展到该传感器位置，实现实时监测裂纹扩展情况的功能；通过以上步骤，实现了基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，达到了诊断孔边裂纹长度的研究效果，解决了工程应用中铝合金板孔边裂纹长度的定位问题。
Description
技术领域
本发明提供一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，它涉及对金属、复合材料等结构损伤监测，具体涉及一种横向布贴的光纤光栅传感器对铝合金薄板疲劳裂纹扩展情况的综合诊断方法，属于结构健康监控领域。
背景技术
结构健康监测技术是一种通过智能传感器在线实时监测结构健康状况的技术。裂纹做为结构元件中的一种典型损伤，如果对其萌生和扩展过程不能进行有效的监测会造成重大事故隐患。目前，采用结构健康监控技术对孔边裂纹进行监测是一种有效的方法。光纤光栅传感器相比于其他传感器而言具有监测灵敏度高、体积小、质量小、抗强电磁等优点，因此，采用光纤光栅传感器监测孔边裂纹问题得到了更多的研究和探索。随着裂纹的扩展，光纤光栅感知非均匀应变会逐渐的增大，会导致光纤光栅光谱图像出现“啁啾”现象，当增加到一定程度时，将会出现多峰值现象，如次峰峰等，这也是通过光纤光栅传感器对结构裂纹扩展进行监测的关键。
有研究表明，针对铝合金板孔边裂纹定性问题，不同布贴方式下的传感器对裂纹损伤的监测程度不同。通过文献研究发现，目前采用光纤光栅传感器检测裂纹的有无多是建立应变与裂纹长度之间的关系，并且布贴方式多采用轴向布贴，并没有考虑到轴向布贴方式下光纤光栅(FBG)传感器对布贴区域承受的相对拉应力感知敏感，但对布贴区域所承受的相对压应力感知不敏感的问题，此外，对裂纹尖端区域的应变梯度分析也多停留在垂直于裂纹扩展的方向上，没有考虑到对横向应变梯度变化的监测问题。
本专利充分考虑到光纤传感器的监测问题，提出一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法。本发明以实验研究为基础，通过理论建立横向布贴光纤光栅(FBG)传感器情况下检测裂纹的有无与光纤光栅(FBG)传感器光谱图像次峰峰位置之间的关系，再结合实验数据验证该诊断方法的正确性。
本发明一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，它是一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，监测的裂纹多为局部裂纹，这种裂纹的扩展方向与主应力方向垂直。
本发明一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，其流程图如图1，具体实施步骤如下：
步骤1：选择并设计试样件，在试样件中心区域预制一定直径的中心孔并在孔边预制一定长度裂纹；
步骤2：对试样件进行结构力学分析，确定外界加载条件(如载荷类型)及试样件材料、弹性模量等相关参数等；根据已确定的试验条件，对试验件利用有限元仿真软件即ANSYS软件进行有限元仿真分析，得到裂纹扩展到一定长度下裂纹尖端附件区域的应力分布情况；
步骤3：有限元仿真结果在铝合金薄板(如2024-T3型薄板)上布贴光纤光栅传感器；
根据铝合金板孔边区域裂纹扩展情况，在与裂纹扩展方向平行的方向上布贴光纤光栅传感器，令裂纹扩展方向为x轴，与裂纹扩展方向垂直的方向为y轴，根据上述有限元仿真结果，确定相应的光纤光栅传感器的位置坐标(xi,yi)，使横向布置的光纤光栅传感器可以明显的感知裂纹尖端的横向应力梯度变化；
步骤4：根据有限元仿真结果反推光纤光栅传感器反射光谱图像规律；根据铝合金板孔边区域裂纹扩展到具体长度下的有限元仿真结果，反推横向布贴的光纤光栅传感器反射光谱图像应该呈现出怎样的规律；
步骤5：将以上贴有光纤光栅传感器的铝合金薄板安装在疲劳试验机上进行疲劳裂纹扩展试验，在疲劳试验机加载前，采集光纤光栅传感器的信号作为初始信号；随着疲劳加载的进行，孔边裂纹开始扩展，此时通过光学显微镜实时记录不同循环周次下的裂纹长度并利用美国微光公司SM125采集不同裂纹长度饱载下的光谱图像；
步骤6：完成试验后，对传感器采集的信号进行处理；主要分析处理光纤传感器采集到的信号数据，分析反射光谱中次峰峰位置在裂纹穿越光纤光栅传感器前、中、后的变化情况，建立基于反射谱次峰峰位置监测铝合金板孔边裂纹扩展的方法；
步骤7：重复步骤1-5，并针对不同试样下光纤光栅传感器采集到的响应信号进行分析，验证步骤6中建立的方法；
步骤8：实际监测过程中，根据不同位置传感器响应信号反射谱次峰峰位置的不同，判别裂纹是否扩展到该传感器位置，实现实时监测裂纹扩展情况的功能。
其中，在步骤1中所述的“选择并设计试样件”，其作法如下：航空金属材料中以铝合金钛合金为主，但是钛合金自身的价格较高，因此实验室常常采用铝合金材料为实验材料，本发明采用的是航空常用材料2024-T3铝合金件作为实验材料。在设计试验件时我们采用小板验证的方式，这种设计方式比较简单也可以较高程度的模拟真实情况，设计尺寸为300*100*2(mm)。
其中，在步骤2中所述的“对试样件进行结构力学分析”，其作法如下：根据实验的材料的弹性模量，以及两端的预紧力75Mpa，可以计算出板材两端承受的力大小。并且根据静态载荷加载条件下，板材一侧受到类似均匀的加载力，另一端不受力。此外由于两端加持的作用，导致板材的自由端数目减少，这些分析结果都需要在步骤2有限元分析中使用。此外，将上述分析的结果导入到ANSYS软件中，并利用工程CAD软件进行3D建模，并将模型导入ANSYS软件中，按照相关步骤进行网格绘制，最终得到裂纹尖端塑性区受力情况。
其中，在步骤4中所述的“根据有限元仿真结果反推FBG传感器反射光谱图像规律”，其作法如下：根据有限元仿真到具体裂纹长度下，如裂纹扩展长度为3mm时，此时裂纹尖端塑性区的受力情况可以根据ANSYS软件仿真得到，当裂纹穿过光纤光栅传感器前中后，根据此时ANSYS软件得到的仿真结果在Polyspace Code Prover软件中将相应大小的力加载到光纤光栅传感器上，观察光纤光栅受力与反射谱之间的关系。
其中，在步骤6中所述的“对传感器采集的信号进行处理”，其作法如下：将电子显微镜直观记录到的裂纹长度的图片根据与光纤光栅传感器之间的距离进行分类，根据微光静态光纤光栅解调仪SM125仪器采集到的光纤光栅传感器的反射谱图像、包含该时刻下光谱信息的txt文件，导入到MATLAB软件中进行处理。
通过以上步骤，实现了一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法研究。达到了诊断孔边裂纹长度的研究效果，解决了工程应用中关于铝合金板孔边裂纹长度的定位问题。
本发明是一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，其优点在于：
(1)目前大多是通过传感器轴向布贴的方式监测y轴方向的应变梯度，本发明研究了横向布贴下x轴方向的应变梯度变化。
(2)目前FBG传感器大多数的布贴方式为轴向布贴，这种布贴方式对板材所受的拉应力感知敏感，但是对板材所受的相对压应力感知不敏感，因此本发明采用横向布贴FBG传感器不仅可以感知板材所受的压应力还可以对孔边裂纹x轴方向上的应变梯度变化进行监测。
(3)利用光纤光栅光谱图像次峰峰的位置变化判断裂纹是否穿过FBG传感器，这是一种基于光学性质本身的具有物理意义的判断方法。
附图说明
图1为本发明所述方法流程图。
图2为本发明所述方法总体过程示意图。
图3为本发明实施例中试验件规格示意图。
图4为本发明实施例孔边裂纹尖端区域的应力分布图。
图5为本发明实施例中光纤传感器布置示意图。
图6为本发明实施例中裂纹穿过FBG传感器前中后次峰峰位置曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明提供了一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，该方法的总体过程示意图如图1、2所示。
本发明一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，通过如下步骤具体实现：
第一步，选择试样件铝合金薄板如图3所示，其型号规格:铝合金2024-T3，300*100*2(mm)。为了较快地出现疲劳裂纹扩展现象，在铝合金薄板的中心开有一直径Φ10mm的圆孔，同时在孔的右侧平行于短轴的方向预制3mm长的小裂纹。
第二步，对试样件监测部位进行结构力学分析，通过有限元仿真确定裂纹扩展到具体长度下的裂纹尖端区域的应力分布情况。确定试验最大加载应力为75MPa，应力比为0.1，加载频率为3Hz。根据已确定的试验条件，对试样件利用ANSYS软件进行有限元仿真分析，仿真结果如图4所示，得到裂纹扩展到不同长度下裂纹尖端附件区域的应力分布情况。
第三步，根据有限元仿真结果在铝合金2024-T3薄板上布贴光纤光栅传感器。
以缺口顶端为原点，沿裂纹扩展方向为x轴，与裂纹扩展方向垂直的方向为y轴。根据第二步有限元仿真的结果可以看出，在裂纹尖端塑性区内感知的非均匀应变比较大，在裂纹尖端x轴方向4mm位置处，y轴方向1-2mm处感知的非均匀应变比较大。因此，我们在监测裂纹时，在距离预制裂纹x轴方向4mm处采取横向布贴光纤光栅方式，其坐标为(4,-2)如图5所示。
第四步，根据第三步对x轴方向4mm裂纹的有限元仿真结果，反推布贴位置为(4，-2)处的FBG传感器光谱图像。
第五步，将布置有FBG传感器的铝合金薄板装载到疲劳试验机上，在进行试验前，需要对FBG传感器进行调试，包括测试传感器信号的采集是否正常，测试仪器是否正常工作等。加载条件如第一步所述，每当裂纹扩展1mm，就记录裂纹长度a，加载循环数并采集FBG传感器的反射光谱。
第六步，完成试验后，对传感器采集的信号进行处理。主要分析FBG传感器采集到的信号数据，分析反射光谱中次峰峰位置在裂纹穿越FBG传感器前中后的变化情况，建立基于反射谱次峰峰位置监测铝合金板孔边裂纹扩展的方法。当裂纹扩展到FBG传感器前中后时，FBG传感器感知不均匀应变，随着不均匀应变的增加，FBG传感器反射谱出现次峰峰现象。当裂纹穿过FBG前，反射谱的次峰峰位置出现在中心波长的左侧；当裂纹穿过FBG时，反射谱次峰峰位置出现在中心波长的右侧；当裂纹穿过FBG后，反射谱次峰峰位置又恢复到中心波长的左侧，如图6所示是裂纹长度为4mm时穿越位置为(4,0)的FBG传感器前中后次峰峰位置的变化情况。
第七步，重复步骤1-5，并针对不同试样下光纤光栅传感器采集到的响应信号进行分析，验证步骤6中建立的方法；
第八步，在实际的监测过程中，根据不同布贴位置的FBG传感器反射谱次峰峰的位置可以判断裂纹是否扩展到该光栅区域，实现了裂纹长度实时监测的功能。
Claims (6)
1.一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，其特征在于：其具体实施步骤如下：
步骤1：选择并设计试样件，在试样件中心区域预制一定直径的中心孔并在孔边预制一定长度裂纹；
步骤2：对试样件进行结构力学分析，确定外界加载条件及试样件材料、弹性模量各相关参数；根据已确定的试验条件，对试验件利用有限元仿真软件即ANSYS软件进行有限元仿真分析，得到裂纹扩展到预定长度下裂纹尖端附件区域的应力分布情况；
步骤3：有限元仿真结果在铝合金薄板上布贴光纤光栅传感器；
根据铝合金薄板孔边区域裂纹扩展情况，在与裂纹扩展方向平行的方向上布贴光纤光栅传感器，令裂纹扩展方向为x轴，与裂纹扩展方向垂直的方向为y轴，根据上述有限元仿真结果，确定相应的光纤光栅传感器的位置坐标(xi,yi)，使横向布置的光纤光栅传感器能明显的感知裂纹尖端的横向应力梯度变化；
步骤4：根据有限元仿真结果反推光纤光栅传感器反射光谱图像规律；根据铝合金薄板孔边区域裂纹扩展到具体长度下的有限元仿真结果，反推横向布贴的光纤光栅传感器反射光谱图像应该呈现出怎样的规律；
步骤5：将以上贴有光纤光栅传感器的铝合金薄板安装在疲劳试验机上进行疲劳裂纹扩展试验，在疲劳试验机加载前，采集光纤光栅传感器的信号作为初始信号；随着疲劳加载的进行，孔边裂纹开始扩展，此时通过光学显微镜实时记录不同循环周次下的裂纹长度并利用美国微光公司SM125采集不同裂纹长度饱载下的光谱图像；
步骤6：完成试验后，对传感器采集的信号进行处理；主要分析处理光纤传感器采集到的信号数据，分析反射光谱中次峰峰位置在裂纹穿越光纤光栅传感器前、中、后的变化情况，建立基于反射谱次峰峰位置监测铝合金板孔边裂纹扩展的方法；
步骤7：重复步骤1-5，并针对不同试样下光纤光栅传感器采集到的响应信号进行分析，验证步骤6中建立的方法；
步骤8：实际监测过程中，根据不同位置传感器响应信号反射谱次峰峰位置的不同，判别裂纹是否扩展到该传感器位置，实现实时监测裂纹扩展情况的功能；
通过以上步骤，实现并解决了一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断的方法，达到了诊断孔边裂纹长度的研究效果，解决了工程应用中关于铝合金板孔边裂纹长度的定位问题。
2.根据权利要求1所述的一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，其特征在于：在步骤1中所述的“选择并设计试样件”，其作法如下：航空金属材料中以铝合金钛合金为主，但是钛合金自身的价格较高，因此实验室常常采用铝合金材料为实验材料，本发明采用的是航空常用材料2024-T3铝合金件作为实验材料；在设计试验件时我们采用小板验证的方式，这种设计方式简单也能较高程度的模拟真实情况，设计尺寸为300*100*2(mm)。
3.根据权利要求1所述的一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，其特征在于：在步骤2中所述的“对试样件进行结构力学分析”，其作法如下：根据实验的材料的弹性模量，以及两端的预紧力75Mpa，能计算出板材两端承受的力大小；并且根据静态载荷加载条件下，板材一侧受到类似均匀的加载力，另一端不受力；此外由于两端加持的作用，导致板材的自由端数目减少，这些分析结果都需要在步骤2有限元分析中使用；此外，将上述分析的结果导入到ANSYS软件中，并利用工程CAD软件进行3D建模，并将模型导入ANSYS软件中，按照相关步骤进行网格绘制，最终得到裂纹尖端塑性区受力情况。
4.根据权利要求1所述的一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，其特征在于：在步骤3中所述的“铝合金薄板”，是选用2024-T3型薄板。
5.根据权利要求1所述的一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，其特征在于：在步骤4中所述的“根据有限元仿真结果反推FBG传感器反射光谱图像规律”，其作法如下：根据有限元仿真到具体裂纹长度下，如裂纹扩展长度为3mm时，此时裂纹尖端塑性区的受力情况可以根据ANSYS软件仿真得到，当裂纹穿过光纤光栅传感器前中后，根据此时ANSYS软件得到的仿真结果在Polyspace Code Prover软件中将相应大小的力加载到光纤光栅传感器上，观察光纤光栅受力与反射谱之间的关系。
6.根据权利要求1所述的一种基于横向布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，其特征在于：在步骤6中所述的“对传感器采集的信号进行处理”，其作法如下：将电子显微镜直观记录到的裂纹长度的图片根据与光纤光栅传感器之间的距离进行分类，根据微光静态光纤光栅解调仪SM125仪器采集到的光纤光栅传感器的反射谱图像、包含该时刻下光谱信息的txt文件，导入到MATLAB软件中进行处理；
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