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技术

本发明专利技术公开了一种基于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。

Crack damage monitoring and strain field measurement method based on FBG sensor array spectrum

The invention discloses a method for crack damage monitoring and strain field measurement based on the spectrum of FBG sensor array, which comprises the following steps: 1. selecting the specimen to be tested; 2. analyzing the structural mechanics of the specimen; 3. pasting the sensor on the specimen; 4. loading the specimen pasted with fiber Bragg grating sensor to determine the actual situation. Fifthly, a series of spectra were analyzed to explore the relationship between the spectral characteristic parameters and the initial crack location and crack propagation. Sixthly, the stress-strain and distance curves obtained by FBG sensor were compared with the results of finite element simulation. Through the above steps, the crack damage monitoring and the stress field measurement at the crack tip are realized, and the corresponding relationship between the distance from the crack damage and the spectrum is achieved.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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：本专利技术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专利技术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专利技术一种基于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。本专利技术基于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。若直接测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：文晓艳，郑漫琳，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42