CN108613870A - 一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法，步骤如下：1：选择设计试样件，在试样件中心区域预制中心孔和裂纹；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、弹性模量相关参数；3：在铝合金薄板上布贴光纤光栅传感器；4：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；5：对传感器采集的信号进行预处理；6：重复步骤1‑4，验证步骤5中建立的方法；通过以上步骤，实现了一种基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法，达到实现孔边裂纹长度的实习监测的研究效果，解决了工程应用中关于铝合金板孔边裂纹长度的定量问题。
Description
技术领域
本发明提供一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法，它涉及一种基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化规律对裂纹长度进行定量的分析研究，即对航空铝合金结构裂纹损伤进行监测，具体涉及光纤光栅传感器对铝合金薄板疲劳裂纹扩展情况的综合监测，这种方法属于结构健康监控领域。
背景技术
航空结构金属材料中铝合金材料的使用十分广泛，目前针对航空结构元件的结构疲劳裂纹萌生与扩展的监测问题，仍没有一种十分成熟的监控方法。一旦结构元件出现裂纹，如果不能进行有效的监控会造成极为严重的后果。结构健康监测技术作为一种通过智能传感器监测结构健康状况的技术与传统的无损检测相比可以实现实时在线监测的功能。此外本发明采用的光纤光栅传感器质量轻、抗环境干扰能力强，被认为是21世纪最具有潜力的传感器之一。本发明通过在带孔金属薄板上布贴光纤光栅传感器来监测铝合金板孔边裂纹扩展情况，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，此外光纤光栅反射谱中心波长的位置、半高宽、四分之一带宽、次峰峰位置等也会发生变化，这些和光纤光栅布贴区域所感知的轴向应变的三次方有关，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，目前针对光纤光栅监测铝合金板孔边裂纹的研究多是基于光纤光栅光谱特征参数变化的定性研究，通过提取对裂纹长度敏感的光纤光栅光谱特征参数实现对裂纹损伤的定量研究较少，且该方面研究多是基于数据分析的统计模型，并没有建立基于物理机制的光纤光栅光谱定量模型分析方法。本发明是基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法研究，不同于之前的研究，本发明通过提取具有物理意义的特征参数表征裂纹损伤的变化，可实现铝合金结构裂纹损伤的定量研究。
本专利充分考虑到上述光纤光栅传感器监测铝合金板孔边裂纹的问题，提出一种基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法研究。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法。本发明以实验分析为基础，通过理论研究建立光纤光栅(FBG)传感器光纤光栅光谱特征参数变化与裂纹长度之间的关系，再结合实验结果验证该诊断方法的正确性，其中监测的裂纹类型多为Ⅰ型裂纹。
本发明一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法，流程图如图1，其具体实施步骤如下：
步骤1：选择实验材料铝合金薄板(型号：2024-T3)并设计试样件，在试样件中心区域预制一预定直径的中心孔并在孔边预制一预定长度裂纹；
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ANSYS软件进行有限元仿真分析，得到裂纹扩展到一预定长度下裂纹尖端附件区域的应力分布情况；
步骤3：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，在与裂纹扩展垂直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，优化布局光纤光栅传感器的位置(xi,yi)，使布置的光纤光栅传感器可以更明显的感知裂纹尖端的纵向和横向非均匀应变的变化；
步骤4：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，中心孔两侧预制裂纹开始萌生扩展，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SM125采集不同裂纹长度下循环加载外载荷饱载条件下的光纤光栅光谱图像；
步骤5：完成试验后，对传感器采集的信号进行预处理；随后对光纤传感器采集到的光谱信号进行分析处理，提取能够表征裂纹扩展行为的光纤光栅光谱特征参数，其中包括中心波长、半高宽(FWHM)、四分之一宽(FWQM)、次峰峰位置等特征参数；通过分析疲劳裂纹扩展过程中光纤光栅传感器特征参数的变化与疲劳裂纹长度之间的关系，建立基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法；
步骤6：重复步骤1-4，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5中建立的方法；
其中，在步骤1中所述的“选择实验材料铝合金薄板(型号：2024-T3)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材料铝合金薄板作为实验材料；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)，中心孔径为10mm，两侧各预留2mm的线切割。
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，将上述分析的结果运用到力学仿真软件(ANSYS软件) 进行的力学分析中，并利用结构设计软件(工程CAD软件)进行三维建模，并将模型导入力学仿真软件进行计算，按照相关步骤进行网格绘制，最终得到裂纹尖端受力情况。
其中，在步骤5中所述的“对传感器采集的信号进行预处理”，其作法如下：将电子显微镜直观记录到的裂纹长度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)采集到的光纤光栅传感器反射光谱，将包含该时刻下光谱信息的文本文件，导入到数值分析软件(MATLAB软件)中进行处理，绘制横轴为波长，纵轴为光纤光栅反射率的图像，并选取光谱中心波长附近的图像进行放大，观察其图像变化规律情况；利用MATLAB软件编写代码，提取光纤光栅反射光谱的中心波长、半高宽、四分之一宽、次峰峰的位置等特征参数，并记录疲劳裂纹扩展过程中相关特征参数的变化规律，建立该特征参数与疲劳裂纹的长度之间的定量模型。
通过以上步骤，实现了一种基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法研究。达到实现孔边裂纹长度的实习监测的研究效果，解决了工程应用中关于铝合金板孔边裂纹长度的定量问题。
本发明一种基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法研究，其优点在于：
(1)区别于其他基于数据驱动的裂纹损伤定量统计模型和其他基于光纤光栅光谱特征参数的裂纹损伤定性研究，该模型具有一定的物理意义，提取的特征参数是能够表征疲劳裂纹长度的物理参量，建立的模型是区分与统计模型具有物理含义的。
(2)提取的特征参数能够表征疲劳裂纹的扩展长度，且该发明提供了一套提取光谱特征参数的算法，可以更加高效便捷的对采集的光谱响应信号进行分析处理。
附图说明
图1为本发明所述方法流程图。
图2为本发明提供的总体设计示意图。
图3本发明实施例中试验件规格示意图。
图4本发明实施例中光纤传感器布置示意图。
图5本发明实施例中光纤光栅反射光谱中心波长变化的变化曲线。
图6本发明实施例中光纤光栅反射光谱半高宽的变化曲线。
图7本发明实施例中光纤光栅反射光谱四分之一宽的变化曲线。
图8本发明实施例中光纤光栅反射光谱次峰峰数量的变化曲线。
图9本发明实施例中光纤光栅反射光谱次峰峰位置的变化曲线。
图中序号、符号、代号说明如下：
图4中pre-crack为阈值裂纹；
图5横坐标Crack length为裂纹长度，纵坐标Δλ为中心波长的变化量，T1，T2，T3，T4分布为试验件1,2,3,4；
图6横坐标Crack length为裂纹长度，纵坐标FWHM为半高宽，T1，T2，T3， T4分布为试验件1,2,3,4；
图7横坐标Crack length为裂纹长度，纵坐标FWQM为四分之一宽，T1，T2， T3，T4分布为试验件1,2,3,4；
图8横坐标Crack length为裂纹长度，纵坐标Secondary peak为次峰峰数量，T1，T2，T3，T4分布为试验件1,2,3,4；
图9中(a)(b)为轴向布贴的FBG传感器，裂纹穿过传感器前后次峰峰位置的变化曲线。
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轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法研究，该方法的总体过程示意图如图2所示。
本发明一种基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法研究，如图1所示，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(型号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线切割预制2mm长的小裂纹，如图3所示。
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，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，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，在纵轴方向上，我们在监测裂纹时，在距离预制裂纹x轴方向2mm处开始采取轴向布贴光纤光栅方式，其坐标为(-5,1),(-5,-1)，(-10,0)，(-12,1)，(-12,-1)， (-17,0)，(-20,1)，(-20,-1)，(5,1)，(5,-1)，(10,0)，(12,1)，(12,-1)，(17,0)，(20,1)， (20,-1)，如图4所示。
第四步，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。
第五步，完成试验后，对传感器采集的信号进行处理。主要分析FBG传感器采集到的反射光谱的信号数据，分析光纤光栅反射光谱中相关特征参数随疲劳裂纹扩展的变化。裂纹扩展过程中，FBG传感器感知的不均匀应变的程度增加，其中会出现光纤光栅光谱中心波长向长波长漂移的现象，如图5所示；通过相关算法提取光纤光栅反射光谱的反射率的最大值，随着结构裂纹损伤长度的增加，光谱反射的最大值呈现出下降是趋势，这是因为随着裂纹损伤的出现，光纤光栅光谱的能量降低，随着损伤长度的增加，这种能量的耗散也增加，因为导致光谱的变形，提取离光纤光栅光谱主峰反射率最大值点下降3dB处反射光谱两侧的宽度为半高宽，随着疲劳裂纹损伤长度的增加，半高宽呈现出变宽的趋势，这是因为随着裂纹损伤的增加，光谱本身的能量降低，光谱由原始的高斯型变化为高度降低，宽度增大，如图6所示。距离主峰最大值下降四分之一高度的宽度为四分之一宽，同理可知光纤光栅光谱的四分之一宽也呈现出随着疲劳裂纹长度的增加而变宽的趋势，如图7所示。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增加时，光纤光栅传感器反射谱出现次峰现象，通过对比研究横向与纵向光纤光栅反射谱次峰位置与数量的变化，如图8 所示，随着裂纹的扩展，横向布贴光纤光栅传感器反射谱次峰峰数量增多，且出现在主峰的左侧，在穿越FBG过程中，次峰出现在主峰的右侧，当穿过FBG后，次峰出现又恢复在主峰的左侧。对如图9所示是裂纹长度为7mm时穿越位置为(10,0)的 FBG传感器前后次峰峰位置的变化情况。将上述特征参数的变化与实际的裂纹长度的增加进行分析，建立以中心波长、半高宽等特征参数与裂纹长度之间的定量关系。
第六步，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。
Claims (5)
1.一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法，其特征在于：具体实施步骤如下：
步骤1：选择实验材料铝合金薄板并设计试样件，在试样件中心区域预制一预定直径的中心孔并在孔边预制一预定长度裂纹；
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ANSYS软件进行有限元仿真分析，得到裂纹扩展到一预定长度下裂纹尖端附件区域的应力分布情况；
步骤3：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，在与裂纹扩展垂直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，优化布局光纤光栅传感器的位置(xi,yi)，使布置的光纤光栅传感器能更明显的感知裂纹尖端的纵向和横向非均匀应变的变化；
步骤4：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，中心孔两侧预制裂纹开始萌生扩展，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SM125采集不同裂纹长度下循环加载外载荷饱载条件下的光纤光栅光谱图像；
步骤5：完成试验后，对传感器采集的信号进行预处理；随后对光纤传感器采集到的光谱信号进行分析处理，提取能够表征裂纹扩展行为的光纤光栅光谱特征参数，其中包括中心波长、半高宽即FWHM、四分之一宽即FWQM和次峰峰位置特征参数；通过分析疲劳裂纹扩展过程中光纤光栅传感器特征参数的变化与疲劳裂纹长度之间的关系，建立基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法；
步骤6：重复步骤1-4，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5中建立的方法；
通过以上步骤，实现了一种基于轴向布贴方式下光纤光栅光谱特征参数变化的裂纹诊断方法，达到实现孔边裂纹长度的实习监测的研究效果，解决了工程应用中关于铝合金板孔边裂纹长度的定量问题。
2.根据权利要求1所述的一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法，其特征在于：在步骤1、3、4中所述的“铝合金薄板”，其型号为“2024-T3”。
3.根据权利要求1所述的一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法，其特征在于：
在步骤1中所述的“选择实验材料铝合金薄板并设计试样件，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材料2024-T3铝合金薄板作为实验材料；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高程度的模拟真实情况，设计尺寸为300*100*2(mm)，中心孔径为10mm，两侧各预留2mm的线切割。
4.根据权利要求1所述的一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法，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，将上述分析的结果运用到力学仿真软件即ANSYS软件进行的力学分析中，并利用结构设计软件即工程CAD软件进行三维建模，并将模型导入力学仿真软件进行计算，按照相关步骤进行网格绘制，最终得到裂纹尖端受力情况。
5.根据权利要求1所述的一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法，其特征在于：
在步骤5中所述的“对传感器采集的信号进行预处理”，其作法如下：将电子显微镜直观记录到的裂纹长度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采集到的光纤光栅传感器反射光谱，将包含该时刻下光谱信息的文本文件，导入到数值分析软件即MATLAB软件中进行处理，绘制横轴为波长，纵轴为光纤光栅反射率的图像，并选取光谱中心波长附近的图像进行放大，观察其图像变化规律情况；利用MATLAB软件编写代码，提取光纤光栅反射光谱的中心波长、半高宽、四分之一宽和次峰峰的位置特征参数，并记录疲劳裂纹扩展过程中相关特征参数的变化规律，建立该特征参数与疲劳裂纹的长度之间的定量模型。
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