一种基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法，包括建立连杆有限元模型、有限元分析、设计光纤光栅传感器的布置方案、两类光纤光栅传感器的标定、待测连杆实验准备、待测连杆加载实验、计算变形参数、重建连杆各结构单元、重构连杆整体结构、变形检测结果的比对等步骤。有益效果：本发明专利技术能够利用光纤光栅传感器对连杆同时涉及薄壁圆环形结构和长杆件结构进行整体的变形检测；能够更加直观精确的输出检测结果，为连杆性能的精确检测以及船舶动力装备其他关重件的变形检测提供了新的可行的方法。新的可行的方法。新的可行的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法


[0001]本专利技术涉及一种发动机连杆变形的检测方法，特别涉及一种基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法，属于结构件变形检测


技术介绍

[0002]连杆作为汽车、船舶等发动机中的重要组成部分，其性能会直接影响到整体的性能，而连杆受力后会发生变形，包括弯曲、扭曲等，这些变形可能导致曲轴受阻或卡滞，严重时还可能对发动机缸体造成损坏。
[0003]连杆是连接活塞和曲轴，并将活塞所受作用力传给曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动的传动装置。
[0004]连杆由三部分构成，与活塞销连接的部分称连杆小头；与曲轴连接的部分称连杆大头，连接小头与大头的杆部称连杆杆身。所述连杆小头和连杆大头为薄壁圆环形结构，连杆杆身是一个长杆件。连杆的变形主要集中在上述三部分的变形，因此，获得一种准确可靠、能够用于实际的变形检测方法就显得尤为重要。
[0005]随着高端装备的发展及日益的精量化，实现对连杆变形的准确检测尤为迫切，不仅要掌握变形的规律更要实现变形的高精度测量。但是由于连杆在装机过程中处于高速运转中，现有技术是无法直接对连杆的变形进行高精度测量。目前，对于连杆变形的检测主要通过实验分析法推断同一批次的连杆或者同一结构的连杆变形的情况。
[0006]实验过程中最常见的检测变形方法有应变片检测法、视觉检测法、激光扫描检测法和利用光纤光栅传感器进行检测的方法等。应变片检测法虽然应变片体积小，重量轻，容易与被测物共形，但是实际应用中存在各种干扰因素使测量不稳定，导致测量精度产生偏差；视觉检测法虽然检测效率高，不用与被测物接触，且成本较低，但是实际应用中无法检测内部变形，且视觉受到限制时，无法进行检测；激光扫描检测法不需要与被测物接触，无需复杂的后期处理及计算，精度较高，但是在实际应用中易受环境的干扰，很难实现动态测量。
[0007]利用光纤光栅传感器进行检测的方法普遍用于各类重要零部件的局部变形量的检测，由于连杆总成同时涉及薄壁圆环形结构和长杆件，是一种复合形结构，所以单一光纤光栅传感器无法完成连杆整体的变形检测。

技术实现思路

[0008]专利技术目的：本专利技术的目的是针对现有技术中存在的无法精确对发动机连杆的变形进行精确检测的问题，提出一种基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法。
[0009]技术方案：一种基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法，包括以下步骤：
[0010]步骤一、建立连杆有限元模型，根据待测连杆结构尺寸、材料的弹性模量和泊松比建立连杆的有限元模型；
[0011]步骤二、有限元分析，通过对步骤一中建立的待测连杆的有限元模型施加模拟载
荷分析连杆变形，分别获得连杆小头、连杆大头和连杆杆身的模拟变形类型和模拟变形量；
[0012]步骤三、设计光纤光栅传感器的布置方案，根据步骤二的模拟变形类型和模拟变形量分别设计连杆小头、连杆大头和连杆杆身上光纤光栅传感器的分布；
[0013]步骤四、两类光纤光栅传感器的标定，分别设计用于连杆小头和连杆大头的螺旋型光纤光栅传感器以及用于连杆杆身倾斜型光纤光栅传感器的标定实验，根据光纤光栅传感器波长偏移量，确定光纤光栅传感器波长偏移量与位移和曲率的对应关系，完成两种光纤光栅传感器的标定；
[0014]步骤五、待测连杆实验准备，根据步骤三的设计方案布置光纤光栅传感器，连接数据采集设备，将光纤光栅传感器连接至光纤光栅传感器解调仪，光纤光栅传感器解调仪通过数据接头与主机相连，光纤光栅传感器中心波长由光纤光栅传感器解调仪解调传输至主机的上位机；
[0015]步骤六、待测连杆加载实验，分别对连杆小头、连杆大头和连杆杆身进行模拟载荷实验，连杆变形时各光纤光栅传感器中心波长发生变化，中心波长的偏移量根据步骤四的标定结果求得相应的变化量；
[0016]步骤七、计算变形参数，主机根据步骤六中获得的变化量计算出各测点的变形曲率k和变形后的弧长l；
[0017]步骤八、重建连杆各结构单元，根据变形重构方法用各结构单元的变形信息分别重建连杆小头、连杆大头和连杆杆身结构；
[0018]步骤九、重构连杆整体结构，根据重构算法将步骤八中各结构单元组合成一个整体完成连杆整体结构的重构；
[0019]步骤十、变形检测结果的比对，将有限元模型仿真分析的结果与实验结果比对，得出待测连杆真实的变形类型和变形量。
[0020]本专利技术通过对待测连杆进行有限元分析获知该批或该类型连杆小头和连杆大头的变形类型为平面鼓形、斜面鼓形和弯曲形，而连杆杆身的变形为弯曲变形；根据有限元分析的模拟变形类型和模拟变形量分别设计光纤光栅传感器的布置方案；针对两种变形模式分别采用螺旋式和倾斜式布置光纤光栅传感器并且分别进行标定实验，确定光纤光栅传感器波长偏移量与位移和曲率的对应关系；获得标定的对应关系后再对待测连杆进行实验法检测，通过实验中采集的数据进行连杆各结构单元的重建和连杆整体结构的重构，将有限元模型仿真分析的结果与实验结果比对，得出待测连杆真实的变形类型和变形量。本专利技术能够更加直观精确的输出检测结果，为连杆性能的精确检测以及船舶动力装备其他关重件的变形检测提供了新的可行的方法。
[0021]优选项，为了能够实现薄壁圆环形结构的精确检测，所述步骤三中连杆小头和连杆大头上光纤光栅传感器的布置形式相同均呈螺旋状均布于连杆小头和连杆大头的内壁，连杆大头上光纤光栅传感器的螺旋角为α，连杆小头上光纤光栅传感器的螺旋角为β。
[0022]优选项，在确保检测效果的前提下方便光纤光栅传感器布置，所述连杆小头和连杆大头上光纤光栅传感器的数量至少为两根，每根光纤光栅传感器上的光栅点至少为两个。本专利技术在螺旋型光纤光栅传感器布置的情况下，再根据算法重构的方法通过有限的光栅点测得的数据可以推算出连杆小头和连杆大头的整体变形情况，可以方便光纤光栅传感器的布置同时减少光纤光栅传感器中光栅点的数量，节省了成本。
[0023]优选项，为了进一步提高光纤光栅传感器在薄壁圆环形结构上布置的合理性和精确性，分别确定连杆大头上光纤光栅传感器的螺旋角为α，连杆小头上光纤光栅传感器的螺旋角为β；
[0024]光纤光栅传感器的螺旋角的确定方法相同，具体步骤如下：
[0025]步骤4.1根据光纤光栅传感器受拉伸的原理可得轴向应变和螺旋角的关系为：
[0026][0027]式中：ε为螺旋式光纤光栅传感器的应变，α为螺旋角,ε
b
为轴向应变，μ材料的泊松比；
[0028]步骤4.2通过有限元模拟的拉伸实验确定光纤光栅传感器的应变范围，设定螺旋角区间，由关系式确定相应的轴向应变；
[0029]步骤4.3由于轴向应变和横向应变存在下列关系：
[0030]ε
a
＝
‑
με
b
[0031]式中：ε
a
为横向应变,ε
b
为轴向应变，μ材料的泊松比；
[0032]步骤4.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、建立连杆有限元模型，根据待测连杆结构尺寸、材料的弹性模量和泊松比建立连杆的有限元模型；步骤二、有限元分析，通过对步骤一中建立的待测连杆的有限元模型施加模拟载荷分析连杆变形，分别获得连杆小头、连杆大头和连杆杆身的模拟变形类型和模拟变形量；步骤三、设计光纤光栅传感器的布置方案，根据步骤二的模拟变形类型和模拟变形量分别设计连杆小头、连杆大头和连杆杆身上光纤光栅传感器的分布；步骤四、两类光纤光栅传感器的标定，分别设计用于连杆小头和连杆大头的螺旋型光纤光栅传感器以及用于连杆杆身倾斜型光纤光栅传感器的标定实验，根据光纤光栅传感器波长偏移量，确定光纤光栅传感器波长偏移量与位移和曲率的对应关系，完成两种光纤光栅传感器的标定；步骤五、待测连杆实验准备，根据步骤三的设计方案布置光纤光栅传感器，连接数据采集设备，将光纤光栅传感器连接至光纤光栅传感器解调仪，光纤光栅传感器解调仪通过数据接头与主机相连，光纤光栅传感器中心波长由光纤光栅传感器解调仪解调传输至主机的上位机；步骤六、待测连杆加载实验，分别对连杆小头、连杆大头和连杆杆身进行模拟载荷实验，连杆变形时各光纤光栅传感器中心波长发生变化，中心波长的偏移量根据步骤四的标定结果求得相应的变化量；步骤七、计算变形参数，主机根据步骤六中获得的变化量计算出各测点的变形曲率k和变形后的弧长l；步骤八、重建连杆各结构单元，根据变形重构方法用各结构单元的变形信息分别重建连杆小头、连杆大头和连杆杆身结构；步骤九、重构连杆整体结构，根据重构算法将步骤八中各结构单元组合成一个整体完成连杆整体结构的重构；步骤十、变形检测结果的比对，将有限元模型仿真分析的结果与实验结果比对，得出待测连杆真实的变形类型和变形量。2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法，其特征在于：所述步骤三中连杆小头和连杆大头上光纤光栅传感器的布置形式相同均呈螺旋状均布于连杆小头和连杆大头的内壁，连杆大头上光纤光栅传感器的螺旋角为α，连杆小头上光纤光栅传感器的螺旋角为β。3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法，其特征在于：所述连杆小头和连杆大头上光纤光栅传感器的数量至少为两根，每根光纤光栅传感器上的光栅点至少为两个。4.根据权利要求2所述的基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法，其特征在于：分别确定连杆大头上光纤光栅传感器的螺旋角为α，连杆小头上光纤光栅传感器的螺旋角为β；光纤光栅传感器的螺旋角的确定方法相同，具体步骤如下：步骤4.1根据光纤光栅传感器受拉伸的原理可得轴向应变和螺旋角的关系为：
式中：ε为螺旋式光纤光栅传感器的应变，α为螺旋角,ε
b
为轴向应变，μ材料的泊松比；步骤4.2通过有限元模拟的拉伸实验确定光纤光栅传感器的应变范围，设定螺旋角区间，由关系式确定相应的轴向应变；步骤4.3由于轴向应变和横向应变存在下列关系：ε
a
＝
‑
με
b
式中：ε
a
为横向应变,ε
b
为轴向应变，μ材料的泊松比；步骤4.4材料的泊松比已知，根据拉伸试验设定的螺旋角区间可以确定相应的轴向应变，由轴向应变和横向应变的关系式可知当轴向应变最大时，横向应变的绝对值为最大值，所以选取轴向应变最大的角度为螺旋角。5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感器的连杆变形检测方法，其特征在于：所述步骤三中连杆杆身上光纤光栅传感器的布置形式为相邻两侧面分别各设置一根倾斜角度相同并且呈中心对称分布于连杆杆身所在表面的光纤光栅传感器，所述倾斜角度为γ。6.根据权利要求5...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宏根，富艳玲，侯秋林，董宝江，李国超，张乐毅，睢鹏，赵晨华，田崇顺，郭述豪，
申请(专利权)人：陕西柴油机重工有限公司，
类型：发明
国别省市：