CN108562490A - 基于fbg传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，包括以下步骤：1选择待测试件；2对待测试件进行结构力学分析；3在试件上粘贴传感器；4将粘贴光纤布拉格光栅传感器的试件进行加载实验，确定实验系统；5对得到的一系列光谱进行分析，探究光谱特征参量与裂纹初始位置、裂纹扩展状况的对应关系；6将FBG传感器得到的应力应变与距离曲线与有限元模拟结果进行对比。通过上述步骤，实现了对裂纹损伤监测及裂纹尖端应力场测量，达到了距离裂纹损伤的远近与光谱的对应关系，并可通过实验验证这种方法测量裂纹尖端应变场的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及结构健康监测领域，特别涉及一种基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法。
背景技术
近年来，工业高速发展、设备和结构大型化，设计应力水平提高，高强度铝合金投入使用，然而陆续发生了多起恶性断裂事故。经过多方面的研究认为，这些断裂都起源于铝的韧性差、硬度低，材料容易出现裂纹。然而传统的设计思想认为材料是连续性、均匀和各向同性的介质，未曾考虑过材料中的缺陷。显然，这是与工程实际不相符的。为了保证结构的安全性，防止断裂事故的发生，人们开始研究裂纹发生与扩展的传感技术，这对材料的健康监测具有重要意义。传统的电类传感监测手段受限于传感机理、组网技术以及大尺寸，无法有效地完成监测任务。而作为新一代的智能传感技术的光纤传感技术，其特点有传感器体积小、质量轻、抗电磁干扰、便于复用组网和易于安装等，使其广泛用于结构健康监测领域。
在相关文献和实验中发现对铝合金裂纹损伤的裂纹位置及扩展情况，目前多数基于FBG传感器的波长漂移，但是当损伤引起的应变场使得FBG发生分峰时，此时这不能通过波长漂移量来获得损伤信息，而且相关文献中没有涉及裂纹尖端应力场的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，应用于金属板材料的损伤监测。
为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：
提供一种基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选定待测试件，找到待测试件上的裂纹；
步骤2：对待测试件进行结构力学分析，具体对待测试件进行有限元仿真分析，确定裂纹尖端的应力应变分布情况：在有限元分析前需要确定外界加载条件及试件材料、弹性模量、泊松比及相关参数，明确监测裂纹尖端的应变场分布；根据已经确定的实验条件，对试件利用有限元仿真软件进行有限元分析，得到裂纹尖端附近区域的应力值；
步骤3：在待测试件上粘贴光纤光栅传感器阵列，具有根据裂纹扩展情况，在与裂纹扩展方向垂直方向上粘贴光纤光栅传感器阵列，根据有限元模拟结果，确定FBG传感器的布置及数量，使布置的传感器明确感知裂纹尖端应变梯度及其变化趋势；
步骤4：将粘贴了FBG传感器阵列的待测试件安装在力学试验机上，并选择光纤光栅传感系统模型为反射式模型；
步骤5：通过光谱仪记录光谱并进行分析，主要是分析裂纹尖端不同距离处的FBG光谱的波长漂移量和光谱宽度；
步骤6：根据步骤5中FBG传感器阵列得到的裂纹尖端的应力场和步骤3中根据有限元模拟的裂纹尖端应力场进行对别验证，并根据FBG传感器光谱的波长漂移量定量监测裂纹位置。
接上述技术方案，步骤1中选择航空常用板材LY12铝合金薄板作为待测试件，其规格为200mm×50mm×2mm，在此规格的板试件上的左侧中部用线切割机预制一3mm×0.4mm×2mm的裂纹作为有损试件。
接上述技术方案，步骤2中，首先对试件材质的弹性模量、泊松比及相关参数进行确认；其次，待测试件在力学试验机上一端夹持一端受力，认为是静载荷下类似于均匀受力情况；另外，在有限元仿真前需要先对试件进行3D建模，接着在有限元软件对试件进行网格划分，设置相关参数，最终进行有限元分析。
接上述技术方案，步骤3具体为：在待测试件上距离预制裂纹尖端15mm的范围内布置3个FBG构成传感器阵列,传感器之间的间隔要求为5mm。
接上述技术方案，每个待测试件上的3个FBG的初始波长接近，将需要粘帖FBG的区域用细砂纸十字形打磨，并用酒精擦拭后均匀粘贴，使FBG与待测试件紧密粘贴；在粘胶时，用直径为0.5mm的塑料管隔断相邻FBG之间胶的流动，胶固化后抽调塑料管，使各FBG都独立粘贴。
接上述技术方案，步骤4具体为：首先光源发出的光波由传输通道经连接器进入FBG，带有外场信息的调制光被FBG反射，经耦合器到接收通道被光谱仪接收，通过解调后输出。
接上述技术方案，步骤5具体为：把FBG传感器阵列测得的应力和有限元模拟的裂纹尖端应力导入Origin进行处理。
接上述技术方案，粘贴了FBG传感器的待测试件安装在INSTRON-3382力学试验机上进行加载，从1KN加载至9KN，每次升高1KN后保持1min。
采用以上技术方案的有益效果是：本发明提出一种基于光纤光栅传感器阵列的光谱特征参数的变化来监测裂纹的位置及扩展情况，该方法可以对有无裂纹进行识别，还可以监测裂纹的扩展情况，是一种更为直观有效的物理监测方法。针对目前对裂纹尖端应变场测量方面的缺失，该方法通过得到的一系列反射光谱，分析损伤的位置和扩展情况与光谱的对应关系，并建立距离裂纹尖端的距离与FBG光谱测得的应力之间的关系，与模拟值进行比较，确定通过FBG传感器测量应变场的可行性，通过FBG传感器阵列实现了对裂纹尖端应变场的测量。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
图1是该基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法流程图；
图2是试件规格及FBG布置示意图；
图3是有限元模拟裂纹尖端应变场梯度示意图；
图4是该基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法实验系统图；
图5是9个FBG在7KN，8KN，9KN下的反射谱；
图6是三个试件中各FBG光谱宽度随距离r的变化；
图7是三个试件中各FBG实验值和模拟值。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明一种基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法的优选实施方式。
本发明基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，可以现在实验室进行实验，具体步骤如下：
步骤1：选取试样，并对试样进行设计，选取无损试样和有损试样，有损试样为在试件单边中心区域有一定长度的裂纹；
步骤2：对试件进行结构力学分析。对有损试件进行有限元仿真分析，确定裂纹尖端的应力应变分布情况：在有限元分析前需要确定外界加载条件及试件材料、弹性模量、泊松比及相关参数，明确监测裂纹尖端的应变场分布；根据已经确定的实验条件，对试件利用有限元仿真软件进行有限元分析，得到裂纹尖端附近区域的应力值；
步骤3：在铝合金薄板上粘贴光纤光栅传感器阵列；根据铝合金预制裂纹扩展情况，在与裂纹扩展方向垂直方向上粘贴光纤光栅传感器阵列。根据有限元模拟结果，确定传感器的布置及数量，使布置的传感器明确感知裂纹尖端应变梯度及其变化趋势，然后根据光栅的粘贴要求，确定相同试件的个数；
步骤4：确定实验的传感模型将以上粘贴的FBG传感器的试件安装在INSTRON-3382力学试验机上，并选择光纤光栅传感系统模型为反射式模型；
步骤5：完成实验后，对记录的光谱进行分析；主要是分析预制裂纹尖端不同距离处的FBG光谱的波长漂移量和光谱宽度；
步骤6：根据步骤5中FBG传感器阵列得到的裂纹尖端的应力场和步骤3中根据有限元模拟的裂纹尖端应力场进行比较，建立基于FBG传感器光谱的波长漂移量定量监测裂纹位置的方法。
优选的，所述步骤1中所述的“选着试样，并对试样进行设计，选取有损试样，有损试样为在试件单边中心区域有一定长度的裂纹”。若在实验室进行，可选择航空常用板材LY12铝合金薄板作为实验材料，实验设计为小板型，其规格为200mm×50mm×2mm，待测有损试件的左侧中部有规格为3mm×0.4mm×2mm的裂纹。若直接测量，可选择有裂纹的试件。
优选的，所述步骤2中所述的：“对试件进行结构力学分析，对有损试件进行有限元仿真分析，确定裂纹尖端的应力应变分布情况”，其做法如下：首先对试件材质的弹性模量、泊松比及相关参数进行确认；其次在实验过程中，试件在力学试验机上一端夹持一端受力，认为是静载荷下类似于均匀受力情况；另外，在有限元仿真前需要先对试件进行3D建模，接着在有限元软件对试件进行网格划分，设置相关参数，最终进行有限元分析。
优选的，所述步骤3中所述的：“在铝合金薄板上粘贴光纤光栅传感器阵列；根据铝合金预制裂纹扩展情况，在与裂纹扩展方向垂直方向上粘贴光纤光栅传感器阵列，根据有限元模拟结果，确定传感器的布置及数量，使布置的传感器明确感知裂纹尖端应变梯度及其变化趋势，然后根据光栅的粘贴要求，确定相同试件的个数”，其做法如下：在试件上距离裂纹尖端15mm的范围内布置3个FBG构成传感器阵列，为避免FBG粘贴宽度(5mm)导致后续FBG距离裂纹尖端太远，可另外构造两个与待测试件相同的有损试件，每个有损试件距离裂纹尖端15mm的范围内也布置3个FBG构成传感器阵列。试件1、试件2和试件3粘贴的传感器分别编号为aFBG1、aFBG2、aFBG3；bFBG1、bFBG2、bFBG3和cFBG1、cFBG2、cFBG3，距离裂缝尖端的距离分别为3mm、8mm、13mm；4mm、9mm、14mm；5mm、10mm、15mm，选取初始波长相近的9个光栅，以减小初始波长不同带来的影响，将需要粘贴FBG的区域用细砂纸十字形打磨，并用酒精擦拭后均匀粘贴，使FBG与试件紧密粘贴。因为在表面粘贴时，胶的流动性使得相邻FBG粘贴在一起，导致FBG之间的应力通过胶传递，所以为了避免这种情况的发生，我们在粘胶时，用直径为0.5mm的塑料管隔断相邻FBG之间胶的流动，胶固化后抽调塑料管，使各FBG都独立粘贴。
优选的，所述步骤4中所述的：“并选择光纤光栅传感系统模型反射式模型”，其做法如下：首先光源发出的光波由传输通道经连接器进入传感光栅，带有外场信息的调制光被传感器反射，带有外场信息的调制光被传感器反射，经耦合器到接收通道被光谱仪接收，通过解调后输出。
优选的，所述步骤5中所述的：“根据步骤5中FBG传感器阵列得到的裂纹尖端的应力场和步骤3中根据有限元模拟的裂纹尖端应力场进行对别验证，建立基于FBG传感器光谱的波长漂移量定量监测裂纹位置的方法”，其做法如下：把FBG传感器阵列测得的应力和有限元模拟的裂纹尖端应力导入Origin图形可视化与数据分析软件进行处理。
图1至图7出示本发明一种基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法的具体实施方式(以实验室中预置试件裂纹为例)：
如图1所示，该基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法通过如下步骤实现：
步骤1：选择铝合金(LY12)薄板如图2所示，其规格为200mm×50mm×2mm，有损试件为在此规格的板试件上的左侧中部用线切割机预制一3mm×0.4mm×2mm的裂纹。
步骤2：对试件进行结构力学分析，确定该预制裂纹尖端的应力应变分布情况，在有限元分析前需要确定外界加载条件为7KN、试件材质的弹性模量74.2GPa和泊松比0.36；根据已确定的实验条件，对试件进行有限元仿真分析，得到裂纹尖端延长线上的应变场分布，如图3所示。
步骤3：在每个试件上距离预制裂纹尖端15mm的范围内布置3个FBG构成传感器阵列。为避免FBG粘贴宽度(5mm)导致后续FBG距离裂纹尖端太远，将9个FBG分别布置在3个相同的有损试件上，有损试件分别为试件1，试件2，试件3，每个试件各粘贴3个FBG，每个光栅垂直于裂纹尖端延长线，并且关于延长线对称粘贴，如图2所示。
步骤4：确定实验的传感模型将以上粘贴的FBG传感器的试件安装在INSTRON-3382力学试验机上进行加载，从1KN加载至9KN，每次升高1KN后保持1min，并选择光纤光栅传感系统模型反射式模型如图4。由传输通道把宽带光源发出的光波经耦合器，到传感光栅被反射。当传感光栅受到应变场的作用，则外场作用于传感光栅，用来调制光波。于是，带有外场信息的调制光被传感器反射，经耦合器到接收通道被光谱仪接收，通过解调后输出。由于光谱仪接收包含外场作用的信息的光谱，因而从光谱仪检测出的光谱形状及其变化，即可获得关于外场信息的详细描述。
步骤5：实验完成，对得到的系列光谱进行分析。图5所示预制裂纹没有扩展，此时取7KN和8KN拉力下的一系列光谱，三个试件上9个FBG的反射谱均保持为对称的高斯线型，没有发生分峰，由于裂纹位置在aFBG1附近，aFBG位置处的应变场强度最大，因此光谱图上只有aFBG1的波长漂移量最大，谱显著展宽。当预制裂纹发生变形，此时拉力为9KN，变形区域为5mm，通过FBG的中心波长的漂移量无法判断裂纹的位置及扩展情况，但是处于裂纹变形区域的aFBG1、bFBG1和cFBG1的反射谱均出现严重分峰。如图6所示，在7和8KN拉力值下光谱宽度随拉力变化不大，达到9KN值时，裂纹尖端发生变形区域约为5mm，距损伤位置最近处的3个FBG光谱宽度变化最大且发生分峰，随着距离增加，波长侧的旁峰个数减小。因此，通过FBG的光谱特征可以获得损伤信息。
步骤6：根据第五步中FBG传感器阵列得到裂纹没有扩展时的裂纹尖端的应力场和第三步中根据有限元模拟的裂纹尖端应力场，实验结果与模拟结果变化趋势一致，如图7所示。
该基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法提出一种基于光纤光栅传感器阵列的光谱特征参数的变化来监测裂纹的位置及扩展情况，这种方法可以对有无裂纹进行识别，还可以监测裂纹的扩展情况，是一种更为直观有效的物理监测方法。针对目前对裂纹尖端应变场测量方面的缺失，该方法以实验数据为基础，通过得到的一系列反射光谱，分析损伤的位置和扩展情况与光谱的对应关系，并建立距离裂纹尖端的距离与FBG光谱测得的应力之间的关系，与模拟值进行比较，确定通过FBG传感器测量应变场的可行性，通过FBG传感器阵列实现了对裂纹尖端应变场的测量。
以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选定待测试件，找到待测试件上的裂纹；
步骤2：对待测试件进行结构力学分析，具体对待测试件进行有限元仿真分析，确定裂纹尖端的应力应变分布情况：在有限元分析前需要确定外界加载条件及试件材料、弹性模量、泊松比及相关参数，明确监测裂纹尖端的应变场分布；根据已经确定的实验条件，对试件利用有限元仿真软件进行有限元分析，得到裂纹尖端附近区域的应力值；
步骤3：在待测试件上粘贴光纤光栅传感器阵列，具有根据裂纹扩展情况，在与裂纹扩展方向垂直方向上粘贴光纤光栅传感器阵列，根据有限元模拟结果，确定FBG传感器的布置及数量，使布置的传感器明确感知裂纹尖端应变梯度及其变化趋势；
步骤4：将粘贴了FBG传感器阵列的待测试件安装在力学试验机上，并选择光纤光栅传感系统模型为反射式模型；
步骤5：通过光谱仪记录光谱并进行分析，主要是分析裂纹尖端不同距离处的FBG光谱的波长漂移量和光谱宽度；
步骤6：根据步骤5中FBG传感器阵列得到的裂纹尖端的应力场和步骤3中根据有限元模拟的裂纹尖端应力场进行对别验证，并根据FBG传感器光谱的波长漂移量定量监测裂纹位置。
2.根据权利要求1所述的基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，其特征在于，步骤1中所述选择航空常用板材LY12铝合金薄板作为待测试件，其规格为200mm×50mm×2mm，在此规格的板试件上的左侧中部用线切割机预制一3mm×0.4mm×2mm的裂纹作为有损试件。
3.根据权利要求1所述的基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，其特征在于，步骤2中所述，首先对试件材质的弹性模量、泊松比及相关参数进行确认；其次，待测试件在力学试验机上一端夹持一端受力，认为是静载荷下类似于均匀受力情况；另外，在有限元仿真前需要先对试件进行3D建模，接着在有限元软件对试件进行网格划分，设置相关参数，最终进行有限元分析。
4.根据权利要求1所述的基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，其特征在于，步骤3所述具体为：在待测试件上距离预制裂纹尖端15 mm的范围内布置3个FBG构成传感器阵列,传感器之间的间隔为5mm。
5.根据权利要求4所述的基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，其特征在于，每个有损试件上的3个FBG的初始波长接近，将需要粘帖FBG的区域用细砂纸十字形打磨，并用酒精擦拭后均匀粘贴，使FBG与待测试件紧密粘贴；在粘胶时，用直径为0.5mm的塑料管隔断相邻FBG之间胶的流动，胶固化后抽调塑料管，使各FBG都独立粘贴。
6.根据权利要求1所述的基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，其特征在于，步骤4所述具体为：首先光源发出的光波由传输通道经连接器进入FBG，带有外场信息的调制光被FBG反射，经耦合器到接收通道被光谱仪接收，通过解调后输出。
7.根据权利要求1所述的基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，其特征在于，步骤5所述具体为：把FBG传感器阵列测得的应力和有限元模拟的裂纹尖端应力导入Origin进行处理。
8.据权利要求1所述的基于FBG传感器阵列光谱的裂纹损伤监测与应变场测量方法，其特征在于，粘贴了FBG传感器的待测试件安装在INSTRON-3382力学试验机上进行加载，从1KN加载至9 KN，每次升高1 KN后保持1min。
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