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技术

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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，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。本专利技术以实验研究为基础，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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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PolyspaceCodeProver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。本专利技术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，本专利技术研究了横向布贴下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，因此本专利技术采用横向布贴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为本专利技术所述方法流程图。图2为本专利技术所述方法总体过程示意图。图3为本专利技术实施例中试验件规格示意图。图4为本专利技术实施例孔边裂纹尖端区域的应力分布图。图5为本专利技术实施例中光纤传感器布置示意图。图6为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(x

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翰，金博，张萌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11