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CN113567245B - 一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法 - Google Patents

一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法 Download PDF

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CN113567245B CN202110836783.7A CN202110836783A CN113567245B CN 113567245 B CN113567245 B CN 113567245B CN 202110836783 A CN202110836783 A CN 202110836783A CN 113567245 B CN113567245 B CN 113567245B
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Abstract

本发明公开了一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法，包括以下步骤：金属焊缝裂纹扩展模型的设计；采用有限元软件对金属焊缝裂纹扩展模型进行有限元分析，获取应变幅值分布图；根据应变幅值分布图计算感测区段及其封装长度，获得所有感测区段的封装长度；根据应变幅值分布图和所有感测区段的封装长度构造向量阵列，建立金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型；根据金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型对金属焊缝裂纹的扩展进行实时监测。本发明公开了一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法，解决了金属结构焊缝沿程裂纹扩展路径变化不均匀，不易直接布置光纤光栅传感器和监测识别的问题。

Description

一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法
技术领域
本发明涉及结构健康监测，具体涉及一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法。
背景技术
焊缝裂纹是一种结构重要损伤类型，裂纹在扩展过程中会降低焊接位置的承载力并且在扩展到达一定程度后对结构造成不可逆转的损伤，能够实时准确判别焊缝裂纹扩展长度，对于计算裂纹扩展速率并对其应变实时监测，评价结构是否能够安全服役具有重要意义。
金属焊缝的裂纹扩展速率不易捕捉其规律性，目前研究焊缝裂纹扩展的监测过程中，由于金属结构焊缝沿程裂纹扩展路径变化不均匀，导致不易直接布置光纤光栅传感器，进而导致无法对裂纹实施多尺度和相应灵敏度的监测识别。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法，用以解决金属结构焊缝沿程裂纹扩展路径变化不均匀，不易直接布置光纤光栅传感器和监测识别的问题。
本发明提供一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法，包括以下步骤：步骤A：金属焊缝裂纹扩展模型的设计；步骤B：采用有限元软件对金属焊缝裂纹扩展模型进行有限元分析，获取应变幅值分布图；步骤C：根据应变幅值分布图计算感测区段及其封装长度，获得所有感测区段的封装长度；步骤D：根据应变幅值分布图和所有感测区段的封装长度构造向量阵列，建立金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型；步骤E：根据金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型对金属焊缝裂纹的扩展进行实时监测。
具体地，所述步骤B包括以下步骤：
步骤B1：金属焊缝裂纹扩展模型的尺寸选择及焊缝设定；
步骤B2：选定一种工况，对焊缝施加荷载，获取其中一个工况的应变幅值分布图；
步骤B3：重复所述步骤B2，对焊缝施加多组荷载，获得多组工况下的应变幅值分布图。
具体地，所述步骤C包括以下步骤：
步骤C1：根据应变幅值分布图的结果，将金属焊缝具有相似路径及长度归纳为一个感测区段，将应变幅值分布图中的监测感测区段划分为n个感测区段，其中n个感测区段内的光纤长度分别为L1，L2，…，Li，…，Ln；
步骤C2：依次得出n个感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值分别为ε1，ε2，…，εi，…，εn，其中第i感测区段的光纤长度为Li，εi为第i感测区段内所需要监测应变幅值的正应变平均值，1≤i≤n；
步骤C3：选择待测封装感测区段，对该感测区段采用钢管进行变尺度封装；
步骤C4：根据第i感测区段内的光纤长度Li计算封装长度Lsi，
步骤C5：重复所述步骤C4，直至计算所有感测区段的封装长度。
具体地，在所述步骤C4中，所述封装长度的计算公式为
式中，Lsi为封装长度，[ε]为光纤解调仪阈值，n为感测区段的个数，Li为第i感测区段的光纤长度，εi为第i感测区段内正应变的平均值。
具体地，所述步骤D包括以下步骤：
步骤D1：将同一个感测区段所计算多种工况下的应变归纳为一个集合，建立金属焊缝裂纹扩展长度与应变的回归模型，其表达式为：
Y＝f(ε1,ε2,...,εi,…εn) (式2)
式中，Y为金属焊缝裂纹扩展长度，ε1，ε2，ε3，…，εn分别为所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值；f为所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值的向量阵列；
步骤D2：确立金属焊缝裂纹扩展长度Y与所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值的向量阵列f的关系；
步骤D3：通过施加荷载的方式计算沿裂纹扩展长度方向的应变数值，通过将各感测区段裂纹扩展应变幅值构造的向量阵列代入回归模型与实际模拟裂纹进行误差分析。
本发明还提供一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别装置，包括
第一处理单元，用于设计金属焊缝裂纹扩展模型；
第二处理单元，用于采用有限元软件对金属焊缝裂纹扩展模型进行有限元分析，获取应变幅值分布图；
第三处理单元，用于根据应变幅值分布图计算感测区段及其封装长度，获得所有感测区段的封装长度；
第四处理单元，用于根据应变幅值分布图和所有感测区段的封装长度构造向量阵列，建立金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型；
第五处理单元，用于根据金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型对金属焊缝裂纹的扩展进行实时监测。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上所述的方法的步骤。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明公开了一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法，通过有限元仿真模拟焊接处裂纹扩展状态，研究裂纹扩展过程中各感测区段的应变幅值变化，根据有限元数据利用SVR机器学习可得应变与裂纹扩展长度的定量关系，最后根据应变幅值变化特点制定分段式多尺度光纤应变传感器，以达到监测裂纹不均匀延展的目的，具有以下优点：
(1)光纤光栅传感器由于其灵敏精度高，可在高压、高温以及腐蚀等恶劣环境下应用的特点已广泛应用于结构健康监测领域，但目前鲜有关心其应用于传感器设计上，为了监测结构裂缝珊点范围内的应变分布，本发明充分结合光纤传感器的优势，通过变量程尺度应对裂缝不均匀扩展问题提出了创新。
(2)受光纤检测阈值的影响，微小应变因其达不到分辨率而无法被识别，本发明利用金属钢管套固光纤，从而增加各监测感测区段的监测灵敏度，实现增敏的目的；
(3)沿裂纹扩展方向依照其应变幅值的变化特性有针对性的布置传感器，能够准确识别裂纹扩展进度和破坏程度。
(4)通过SVR机器学习模型训练模型试验的数据，可建立裂纹扩展长度与应变的定量关系，实现了对裂纹扩展长度的确定。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的金属焊缝裂纹扩展模型的示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
实施例1提供了一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法，包括以下步骤：
步骤A：金属焊缝裂纹扩展模型的设计
根据工程中常见焊接结构受力和开裂情况，参考图1，将一块直立状态的钢板200垂直放置一块水平状态的底板100上，并对钢板和底板之间的连接处进行焊接固定形成焊缝300，据此设计金属焊缝裂纹扩展模型；
步骤B：采用现有的有限元软件abaqus对金属焊缝裂纹扩展模型进行有限元分析，获取应变幅值分布图；
步骤B1：金属焊缝裂纹扩展模型的尺寸选择及焊缝设定；
在进行有限元分析中，钢板200的长度、宽度和厚度尺寸分别为800×800×0.8mm，底板100的长度、宽度和厚度尺寸分别为1000×1000×0.8mm，且底板的边界条件固定，在钢板和底板之间的焊缝300设设为5cm疲劳裂纹；
步骤B2：选定一种工况，对焊缝施加荷载，获取其中一个工况的应变幅值分布图；
对焊缝施加一组荷载，例如，对焊缝的不同位置施加45kn的压力。
步骤B3：重复所述步骤B2，对焊缝施加多组荷载，获得多组工况下的应变幅值分布图；
对焊缝施加多组荷载，模拟多种工况下焊缝在荷载作用下的应变幅值，获取应变幅值分布图。
步骤C：根据应变幅值分布图计算感测区段及其封装长度，获得所有感测区段的封装长度；
步骤C1：根据应变幅值分布图的结果，将金属焊缝具有相似路径及长度归纳为一个感测区段，将应变幅值分布图中的监测感测区段划分为n个感测区段，其中n个感测区段内的光纤长度分别为L1，L2，…，Li，…，Ln；
步骤C2：依次得出n个感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值分别为ε1，ε2，…，εi，…，εn，其中第i感测区段的光纤长度为Li，εi为第i感测区段内的正应变平均值，1≤i≤n，n为感测区段的个数；
步骤C3：选择待测封装感测区段，对该感测区段采用钢管进行变尺度封装；
具体地，用于封装的钢管的直径为0.7mm；
步骤C4：根据第i感测区段内的光纤长度Li计算得封装长度Lsi，其计算公式为
式中，Lsi为封装长度，[ε]为光纤解调仪阈值，Li为第i感测区段的光纤长度，εi为第i感测区段内正应变的平均值。
步骤C5：重复所述步骤C4，直至计算所有感测区段的封装长度。
步骤D：根据应变幅值分布图和所有感测区段的封装长度构造向量阵列，建立金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型；
步骤D1：将同一个感测区段所计算多种工况下的应变归纳为一个集合，建立金属焊缝裂纹扩展长度与应变的回归模型，其表达式为：
Y＝f(ε1,ε2,…,εi,…εn) (式2)
式中，Y为金属焊缝裂纹扩展长度，ε1，ε2，ε3，…，εn分别为所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值；f为所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值的向量阵列；
步骤D2：确立金属焊缝裂纹扩展长度Y与所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值的向量阵列f的关系；
向SVR机器学习模型输入变量为ε1，ε2，ε3，…，εn，输出变量为金属焊缝裂纹扩展长度Y，获取两者的函数关系。其中，SVR机器学习模型支持向量回归运算，可以用于建立回归模型，从而确定其回归系数。
步骤D3：通过施加荷载的方式计算沿裂纹扩展长度方向的应变数值，通过将各感测区段裂纹扩展应变幅值构造的向量阵列代入回归模型与实际模拟裂纹进行误差分析。
对上述方案进行简易模型的验证，通过有限元建立底板尺寸为1000×1000×0.8mm，钢板尺寸800×800×0.8mm的试验模型，在焊缝直角位置预制5cm长度裂纹，位于钢板正中心施加50kn压力，计算后提取其裂纹扩展的应变分布云图。对所测所有感测区段应变ε1，ε2，ε3，…，εn代入定量回归模型，然后计算所得金属焊缝裂纹扩展长度Y与实际扩展长度Yr进行误差分析，通过依据定量模型得出的裂纹扩展长度与真实值进行对比，原始数据均匀分布在回归数据两侧，呈线性分布，误差较小，属允许范围，此发明可应用于金属焊缝裂纹扩展长度识别的监测。
步骤E：根据金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型对金属焊缝裂纹的扩展进行实时监测。
沿着预制裂纹的焊接模型布置与应变幅值分布对应的变尺度传感器，对钢板施加典型荷载进行实时监测。对光纤解调仪输出的应变数据实时提取并代入定量回归模型即可对裂纹的实时扩展长度监测和识别。
依据此方案，可实现对焊缝裂纹扩展长度进行识别，在实际应用中，可进行如下操作，在实验室将预制好的简易模型按感测区段安装好光纤传感器，并接通光纤解调仪和显示器；设置好解调仪参数，接通电源，观察随着金属钢板焊接处的裂纹扩展显示器上应变曲线的变化；
在实际监测过程中，需要先判断裂纹扩展到哪一传感器的有效监测范围之内。根据光纤解调仪输出的应变曲线来确定裂纹扩展至某一感测区段的珊点监测范围；通过伺服作动器对焊缝预制裂纹施加荷载；确定裂纹扩展至最后一段传感器监测范围时即可停止，此时裂纹扩展结束；通过监测所得各感测区段的应变量ε1，ε2，ε3，…，εn，代入定量模型f即得焊缝裂纹的扩展长度从而实现焊缝裂纹扩展长度的识别。
实施例2：一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别装置
实施例2提供一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别装置，包括：
第一处理单元，用于设计金属焊缝裂纹扩展模型；
第二处理单元，用于采用有限元软件对金属焊缝裂纹扩展模型进行有限元分析，获取应变幅值分布图；
第三处理单元，用于根据应变幅值分布图计算感测区段及其封装长度，获得所有感测区段的封装长度；
第四处理单元，用于根据应变幅值分布图和所有感测区段的封装长度构造向量阵列，建立金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型；
第五处理单元，用于根据金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型对金属焊缝裂纹的扩展进行实时监测。
实施例3：一种计算机可读存储介质
实施例3提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1的方法的步骤。
实施例4：一种计算机设备
实施例4提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1的方法的步骤。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A：金属焊缝裂纹扩展模型的设计；
步骤B：采用有限元软件对金属焊缝裂纹扩展模型进行有限元分析，获取应变幅值分布图；
步骤C：根据应变幅值分布图计算感测区段及其封装长度，获得所有感测区段的封装长度，具体包括以下步骤：
步骤C1：根据应变幅值分布图的结果，将金属焊缝具有相似路径及长度归纳为一个感测区段，将应变幅值分布图中的监测感测区段划分为n个感测区段，其中n个感测区段内的光纤长度分别为L1，L2，…，Li，…，Ln；
步骤C2：依次得出n个感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值分别为ε1，ε2，…，εi，…，εn，其中第i感测区段的光纤长度为Li，εi为第i感测区段内所需要监测应变幅值的正应变平均值，1≤i≤n；
步骤C3：选择待测封装感测区段，对该感测区段采用钢管进行变尺度封装；
步骤C4：根据第i感测区段内的光纤长度Li计算封装长度Lsi，其计算公式为
式中，Lsi为封装长度，[ε]为光纤解调仪阈值，n为感测区段的个数，Li为第i感测区段的光纤长度，εi为第i感测区段内正应变的平均值；
步骤C5：重复所述步骤C4，直至计算所有感测区段的封装长度；
步骤D：根据应变幅值分布图和所有感测区段的封装长度构造向量阵列，建立金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型，具体包括以下步骤：
步骤D1：将同一个感测区段所计算多种工况下的应变归纳为一个集合，建立金属焊缝裂纹扩展长度与应变的回归模型，其表达式为：
Y＝f(ε1,ε2,...,εi,...εn) (式2)
式中，Y为金属焊缝裂纹扩展长度，ε1，ε2，ε3，…，εn分别为所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值；f为所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值的向量阵列；
步骤D2：确立金属焊缝裂纹扩展长度Y与所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值的向量阵列f的关系；
步骤D3：通过施加荷载的方式计算沿裂纹扩展长度方向的应变数值，通过将各感测区段裂纹扩展应变幅值构造的向量阵列代入回归模型与实际模拟裂纹进行误差分析；
步骤E：根据金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型对金属焊缝裂纹的扩展进行实时监测。
2.根据权利要求1中所述的金属焊缝裂纹扩展长度的识别方法，其特征在于，所述获取应变幅值分布图包括以下步骤：
步骤B1：金属焊缝裂纹扩展模型的尺寸选择及焊缝设定；
步骤B2：选定一种工况，对焊缝施加荷载，获取其中一个工况的应变幅值分布图；
步骤B3：重复所述步骤B2，对焊缝施加多组荷载，获得多组工况下的应变幅值分布图。
3.一种金属焊缝裂纹扩展长度的识别装置，其特征在于，包括
第一处理单元，用于设计金属焊缝裂纹扩展模型；
第二处理单元，用于采用有限元软件对金属焊缝裂纹扩展模型进行有限元分析，获取应变幅值分布图；
第三处理单元，用于根据应变幅值分布图计算感测区段及其封装长度，获得所有感测区段的封装长度，具体包括以下步骤：
步骤C1：根据应变幅值分布图的结果，将金属焊缝具有相似路径及长度归纳为一个感测区段，将应变幅值分布图中的监测感测区段划分为n个感测区段，其中n个感测区段内的光纤长度分别为L1，L2，…，Li，…，Ln；
步骤C2：依次得出n个感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值分别为ε1，ε2，…，εi，…，εn，其中第i感测区段的光纤长度为Li，εi为第i感测区段内所需要监测应变幅值的正应变平均值，1≤i≤n；
步骤C3：选择待测封装感测区段，对该感测区段采用钢管进行变尺度封装；
步骤C4：根据第i感测区段内的光纤长度Li计算封装长度Lsi，其计算公式为
式中，Lsi为封装长度，[ε]为光纤解调仪阈值，n为感测区段的个数，Li为第i感测区段的光纤长度，εi为第i感测区段内正应变的平均值；
步骤C5：重复所述步骤C4，直至计算所有感测区段的封装长度；
第四处理单元，用于根据应变幅值分布图和所有感测区段的封装长度构造向量阵列，建立金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型，具体包括以下步骤：
步骤D1：将同一个感测区段所计算多种工况下的应变归纳为一个集合，建立金属焊缝裂纹扩展长度与应变的回归模型，其表达式为：
Y＝f(ε1,ε2,...,εi,...εn) (式2)
式中，Y为金属焊缝裂纹扩展长度，ε1，ε2，ε3，…，εn分别为所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值；f为所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值的向量阵列；
步骤D2：确立金属焊缝裂纹扩展长度Y与所有感测区段沿裂纹扩展方向的正应变平均值的向量阵列f的关系；
步骤D3：通过施加荷载的方式计算沿裂纹扩展长度方向的应变数值，通过将各感测区段裂纹扩展应变幅值构造的向量阵列代入回归模型与实际模拟裂纹进行误差分析；
第五处理单元，用于根据金属焊缝裂纹扩展长度的回归模型对金属焊缝裂纹的扩展进行实时监测。
4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-2中任一项所述的方法的步骤。
5.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-2任一所述的方法的步骤。
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