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技术

本发明专利技术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。

A crack diagnosis method based on spectral characteristic parameters of axial aligned fiber Bragg grating

The invention provides a crack diagnosis method based on the spectral characteristic parameters of an axial fiber Bragg grating. The steps are as follows: 1. Selecting the design sample, prefabricating the central hole and crack in the central region of the sample; 2. Analyzing the structure mechanics of the sample, determining the external loading conditions, the material of the sample and the related parameters of the elastic modulus of the sample. 3: Place the FBG sensor on the aluminum alloy sheet; 4: Install the aluminum alloy sheet with the FBG sensor above on the fatigue testing machine for fatigue crack propagation test; 5: Preprocess the signal collected by the sensor; 6: Repeat step 1 4 to verify the method established in step 5; Pass the above steps; Suddenly, a crack diagnosis method based on the change of spectral characteristic parameters of fiber grating is realized, which achieves the effect of practical monitoring of the crack length at the hole edge, and solves the quantitative problem of crack length at the hole edge of aluminum alloy plate in engineering application.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。此外本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于轴向布贴光纤光栅光谱特征参数的裂纹诊断方法。本专利技术以实验分析为基础，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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，且该专利技术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为本专利技术所述方法流程图。图2为本专利技术提供的总体设计示意图。图3本专利技术实施例中试验件规格示意图。图4本专利技术实施例中光纤传感器布置示意图。图5本专利技术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本专利技术实施例中光纤光栅反射光谱本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫方，张萌，金博，戴伟，高晓岩，王翔宇，刘晓鹏，梁小贝，
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