高压气瓶的疲劳检测方法及疲劳检测组件技术

本发明专利技术提供高压气瓶的疲劳检测方法及疲劳检测组件，涉及疲劳检测领域，包括中部具有圆柱形容器的铝合金内胆，所述铝合金内胆的外侧设置有多个具有光纤栅点的光纤光栅应变传感器以及用于与所述光纤光栅应变传感器相互配合使用的光纤光栅温度传感器，本发明专利技术提供高压气瓶的疲劳检测方法及疲劳检测组件，通过在同一温度场中同时布置光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，并通过光纤光栅温度传感器对光纤光栅应变传感器的温度进行补偿，使光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器发生相同温度效应，从而使光纤光栅应变传感器消除温度变化引起的波长偏移并得处应变单独引起的波长偏移，从而使气瓶测量更精确。从而使气瓶测量更精确。从而使气瓶测量更精确。

【技术实现步骤摘要】
高压气瓶的疲劳检测方法及疲劳检测组件


[0001]本专利技术涉及疲劳检测领域，尤其涉及高压气瓶的疲劳检测方法及疲劳检测组件。

技术介绍

[0002]疲劳寿命是纤维缠绕高压氢气瓶的一个非常重要的技术指标。纤维缠绕氢气瓶主体结构包括纤维树脂复合材料缠绕增强层和铝合金内胆，这两部分结构差异较大，其疲劳破坏机理及疲劳现象也不同。
[0003]铝合金作为各向同性的金属材料，其疲劳机理与大多数金属材料近似，金属的疲劳破坏历程大体上可以划分为四个阶段：疲劳硬化、裂纹萌生、裂纹扩展和最后的断裂，结构的局部疲劳会造成刚度退化现象，另外，在疲劳过程中，裂纹的萌生在宏观上表现为气瓶膨胀率的改变，在微观上会改变内胆表面的应变分布，当材料承受高于疲劳极限的应力时，每一循环都会使材料产生一定量的损伤，这种损伤是能累积的，当损伤累积到临界值时，构件就会发生破坏。
[0004]光纤布拉格光栅(FBG)是一种光纤光栅，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小的周期性调制而形成的，根据FBG的原理可以发现，光纤光栅同时对温度和应变灵敏。
[0005]现有的气瓶在监测因疲劳损伤累积导致气瓶膨胀率发生改变、表面应变分布发生的变化时，只是通过测量单个光纤光栅的波长变化量来进行监测的，从而导致由温度和应变分别引起的波长变化难以区分，使温度和应变的得数据交叉，使气瓶监测出现误差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决现有技术存在的以下问题：本专利技术的目的在于提供高压气瓶的疲劳检测方法及疲劳检测组件，以解决上述技术问题。
[0007]本专利技术为解决上述技术问题，采用以下技术方案来实现：高压气瓶的疲劳检测组件，包括中部具有圆柱形容器的铝合金内胆，所述铝合金内胆的外侧设置有多个具有光纤栅点的光纤光栅应变传感器以及用于与所述光纤光栅应变传感器相互配合使用的光纤光栅温度传感器，所述铝合金内胆的外侧包裹有碳纤维缠绕层，所述光纤光栅温度传感器与光纤光栅应变传感器包裹在碳纤维缠绕层的内侧，所述光纤光栅温度传感器与光纤光栅应变传感器的一端贯穿碳纤维缠绕层连接有接头，本专利技术提供高压气瓶的疲劳检测方法及疲劳检测组件，通过在同一温度场中同时布置光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，并通过光纤光栅温度传感器对光纤光栅应变传感器的温度进行补偿，使光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器发生相同温度效应，从而使光纤光栅应变传感器消除温度变化引起的波长偏移并得处应变单独引起的波长偏移，从而使气瓶测量更精确。
[0008]优选的，多个所述光纤光栅应变传感器的数量为四个，每个所述光纤光栅应变传感器设置有五个光纤栅点，四个所述光纤光栅应变传感器围绕铝合金内胆的中心点分布，四个所述光纤光栅应变传感器的布置方向均与铝合金内胆的轴向平行。
[0009]优选的，所述光纤光栅应变传感器的五个光纤栅点与铝合金内胆的圆柱形容器连
接，五个所述光纤栅点中相邻的两个栅点之间具有连接距离，五个所述光纤栅点的连接长度与铝合金内胆的圆柱形容器之比为一比一，五个所述光纤栅点中相邻的两个栅点之间的距离均为铝合金内胆圆柱形容器的四分之一，可对铝合金内胆的圆柱形容器应变进行多点测量，使铝合金内胆的疲劳监测更精确。
[0010]高压气瓶的疲劳检测方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一：通过有限元仿真的方法对气瓶的应力分布进行分析和温度检测位置进行定位；
[0012]步骤二：通过应力数据选择样品光纤光栅应变传感器和与光纤光栅应变传感器适配的样品光纤光栅温度传感器；
[0013]步骤三：对光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的数据进行标定，得出光纤光栅温度传感器的温度灵敏系数和光纤光栅应变传感器的应变灵敏系数，并使用光纤光栅解调仪识别并采集布拉格中心波长；
[0014]步骤四：将光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器粘贴在铝合金内胆表面的待测点位置，并对铝合金内胆进行碳纤维缠绕，在碳纤维缠绕以及固化之后再使光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器熔接接头；
[0015]步骤五：通过无线式光纤传感分析仪检测待测点的应变与温度变化和中心波长并与光纤光栅温度传感器的温度灵敏系数和光纤光栅应变传感器的应变灵敏系数以及中心波长的标定值进行对比，判断铝合金内胆的疲劳强度。
[0016]优选的，所述步骤三中光纤光栅温度传感器的温度灵敏系数标定采用恒温箱法标定，所述光纤光栅应变传感器的应变灵敏系数标定采用四点弯等弯矩梁进行，其中温度与应变共同产生的波长变化可用下式表示：
[0017]Δλ
B
＝α
∈
∈+α
T
ΔT
[0018]恒温箱法：将裸光纤光栅温度传感器和封装的光纤光栅温度传感器放置于恒温箱内，通过恒温箱以固定温度步长调整温度场，由于光纤光栅温度传感器布贴在气瓶内胆表面，在布贴工艺后需要对气瓶进行树脂固化和碳纤维缠绕工艺，因此温度变化范围需要覆盖气瓶全缠绕工艺和气瓶服役期间环境的温度范围，使用光纤光栅解调仪识别并采集布拉格中心波长。
[0019]记录温度数据和对应的中心波长数据通过计算温度和中心波长之间的相关系数，验证两个变量之间的线性相关性。
[0020]相关系数可以通过下式计算：
[0021][0022]其中，n表示观测的样本数，相关系数r为一个[
‑
1，1]范围的数，当为正数时表示正相关，其为负数时表示负相关，值的绝对值越接近1表示相关性越强，值为0时表示不存在线性关系。
[0023]将记录的温度数据和中心波长数据进行线性回归方程的拟合，回归方程记为：
[0024][0025]根据最小二乘估计可以得到参数a，b的估计为：
[0026][0027]其中，斜率b的估计即为标定的温度灵敏系数。
[0028]通过计算r2可决系数判定回归方程的拟合程度，可决系数通过下式计算：
[0029][0030]其中，表示在温度为T
i
时根据回归方程预测的中心波长。可决系数在[0，1]之间，其值趋近于1时说明回归方程拟合的越好，其值趋近于0时说明回归方程拟合的越差。
[0031]在如图4所示的标准梁粘贴FBG，通过施加载荷使梁上产生应变，通过计算得到梁表面的应变以及FBG的应变灵敏度系数，从而实现应变特性的标定。
[0032]根据材料力学理论可得梁上加载点之间的等弯段应力为：
[0033][0034]梁上下表面的应变为：
[0035][0036]其中，M为梁等弯段弯矩，I为梁横截面的惯性矩，h为梁的厚度，E为梁材料的弹性模量，l为梁上两支撑点的距离，a为支撑点到加载点之间的距离，w为梁中点处的挠度。
[0037]根据式子和式子，可得FBG传感器应变灵敏系数为：
[0038][0039]标定过程中按固定的应变步长逐级加载，应变加载范围应覆盖气瓶失效时的最大应变值。每组正式实验重复3次，记录加载的应变数据和中心波长数据通过计算应变和中心波长之间的相关系数，验证两个本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高压气瓶的疲劳检测组件，包括中部具有圆柱形容器的铝合金内胆(1)，其特征在于：所述铝合金内胆(1)的外侧设置有多个具有光纤栅点的光纤光栅应变传感器(3)以及用于与所述光纤光栅应变传感器(3)相互配合使用的光纤光栅温度传感器(2)，所述铝合金内胆(1)的外侧包裹有碳纤维缠绕层(4)，所述光纤光栅温度传感器(2)与光纤光栅应变传感器(3)包裹在碳纤维缠绕层(4)的内侧，所述光纤光栅温度传感器(2)与光纤光栅应变传感器(3)的一端贯穿碳纤维缠绕层(4)连接有接头。2.根据权利要求1所述的高压气瓶的疲劳检测组件，其特征在于：多个所述光纤光栅应变传感器(3)的数量为四个，每个所述光纤光栅应变传感器(3)设置有五个光纤栅点，四个所述光纤光栅应变传感器(3)围绕铝合金内胆(1)的中心点分布，，四个所述光纤光栅应变传感器(3)的布置方向均与铝合金内胆(1)的轴向平行。3.根据权利要求2所述的高压气瓶的疲劳检测组件，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器(3)的五个光纤栅点与铝合金内胆(1)的圆柱形容器连接，五个所述光纤栅点中相邻的两个栅点之间具有连接距离，五个所述光纤栅点的连接长度与铝合金内胆(1)的圆柱形容器之比为一比一，五个所述光纤栅点中相邻的两个栅点之间的距离均为铝合金内胆(1)圆柱形容器的四分之一。4.根据权利要求1所述的高压气瓶的疲劳检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：通过有限元仿真的方法对气瓶的应力分布进行分析和温度检测位置进行定位；步骤二：通过应力数据选择样品光纤光栅应变传感器(3)和与光纤光栅应变传感器(3)适配的样品光纤光栅温度传感器(2)；步骤三：对光纤光栅温度传感器(2)和光纤光栅应变传感器(3)的数据进行标定，得出光纤光栅温度传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐东，
申请(专利权)人：苏州辰航致远智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：