本發(fā)明提供一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，它涉及對(duì)金屬、復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)，具體涉及一種橫向布貼的光纖光柵傳感器對(duì)鋁合金薄板疲勞裂紋擴(kuò)展情況的綜合診斷方法，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種通過智能傳感器在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀況的技術(shù)。裂紋做為結(jié)構(gòu)元件中的一種典型損傷，如果對(duì)其萌生和擴(kuò)展過程不能進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)會(huì)造成重大事故隱患。目前，采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)對(duì)孔邊裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè)是一種有效的方法。光纖光柵傳感器相比于其他傳感器而言具有監(jiān)測(cè)靈敏度高、體積小、質(zhì)量小、抗強(qiáng)電磁等優(yōu)點(diǎn)，因此，采用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)孔邊裂紋問題得到了更多的研究和探索。隨著裂紋的擴(kuò)展，光纖光柵感知非均勻應(yīng)變會(huì)逐漸的增大，會(huì)導(dǎo)致光纖光柵光譜圖像出現(xiàn)“啁啾”現(xiàn)象，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)多峰值現(xiàn)象，如次峰峰等，這也是通過光纖光柵傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。

有研究表明，針對(duì)鋁合金板孔邊裂紋定性問題，不同布貼方式下的傳感器對(duì)裂紋損傷的監(jiān)測(cè)程度不同。通過文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，目前采用光纖光柵傳感器檢測(cè)裂紋的有無多是建立應(yīng)變與裂紋長(zhǎng)度之間的關(guān)系，并且布貼方式多采用軸向布貼，并沒有考慮到軸向布貼方式下光纖光柵(FBG)傳感器對(duì)布貼區(qū)域承受的相對(duì)拉應(yīng)力感知敏感，但對(duì)布貼區(qū)域所承受的相對(duì)壓應(yīng)力感知不敏感的問題，此外，對(duì)裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)變梯度分析也多停留在垂直于裂紋擴(kuò)展的方向上，沒有考慮到對(duì)橫向應(yīng)變梯度變化的監(jiān)測(cè)問題。

本專利充分考慮到光纖傳感器的監(jiān)測(cè)問題，提出一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法。本發(fā)明以實(shí)驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，通過理論建立橫向布貼光纖光柵(FBG)傳感器情況下檢測(cè)裂紋的有無與光纖光柵(FBG)傳感器光譜圖像次峰峰位置之間的關(guān)系，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該診斷方法的正確性。

本發(fā)明一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，它是一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，監(jiān)測(cè)的裂紋多為局部裂紋，這種裂紋的擴(kuò)展方向與主應(yīng)力方向垂直。

本發(fā)明一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，其流程圖如圖1，具體實(shí)施步驟如下：

步驟1：選擇并設(shè)計(jì)試樣件，在試樣件中心區(qū)域預(yù)制一定直徑的中心孔并在孔邊預(yù)制一定長(zhǎng)度裂紋；

步驟2：對(duì)試樣件進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，確定外界加載條件(如載荷類型)及試樣件材料、彈性模量等相關(guān)參數(shù)等；根據(jù)已確定的試驗(yàn)條件，對(duì)試驗(yàn)件利用有限元仿真軟件即ANSYS軟件進(jìn)行有限元仿真分析，得到裂紋擴(kuò)展到一定長(zhǎng)度下裂紋尖端附件區(qū)域的應(yīng)力分布情況；

步驟3：有限元仿真結(jié)果在鋁合金薄板(如2024-T3型薄板)上布貼光纖光柵傳感器；

根據(jù)鋁合金板孔邊區(qū)域裂紋擴(kuò)展情況，在與裂紋擴(kuò)展方向平行的方向上布貼光纖光柵傳感器，令裂紋擴(kuò)展方向?yàn)閤軸，與裂紋擴(kuò)展方向垂直的方向?yàn)閥軸，根據(jù)上述有限元仿真結(jié)果，確定相應(yīng)的光纖光柵傳感器的位置坐標(biāo)(x_i,y_i)，使橫向布置的光纖光柵傳感器可以明顯的感知裂紋尖端的橫向應(yīng)力梯度變化；

步驟4：根據(jù)有限元仿真結(jié)果反推光纖光柵傳感器反射光譜圖像規(guī)律；根據(jù)鋁合金板孔邊區(qū)域裂紋擴(kuò)展到具體長(zhǎng)度下的有限元仿真結(jié)果，反推橫向布貼的光纖光柵傳感器反射光譜圖像應(yīng)該呈現(xiàn)出怎樣的規(guī)律；

步驟5：將以上貼有光纖光柵傳感器的鋁合金薄板安裝在疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，在疲勞試驗(yàn)機(jī)加載前，采集光纖光柵傳感器的信號(hào)作為初始信號(hào)；隨著疲勞加載的進(jìn)行，孔邊裂紋開始擴(kuò)展，此時(shí)通過光學(xué)顯微鏡實(shí)時(shí)記錄不同循環(huán)周次下的裂紋長(zhǎng)度并利用美國微光公司SM125采集不同裂紋長(zhǎng)度飽載下的光譜圖像；

步驟6：完成試驗(yàn)后，對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理；主要分析處理光纖傳感器采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)，分析反射光譜中次峰峰位置在裂紋穿越光纖光柵傳感器前、中、后的變化情況，建立基于反射譜次峰峰位置監(jiān)測(cè)鋁合金板孔邊裂紋擴(kuò)展的方法；

步驟7：重復(fù)步驟1-5，并針對(duì)不同試樣下光纖光柵傳感器采集到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析，驗(yàn)證步驟6中建立的方法；

步驟8：實(shí)際監(jiān)測(cè)過程中，根據(jù)不同位置傳感器響應(yīng)信號(hào)反射譜次峰峰位置的不同，判別裂紋是否擴(kuò)展到該傳感器位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展情況的功能。

其中，在步驟1中所述的“選擇并設(shè)計(jì)試樣件”，其作法如下：航空金屬材料中以鋁合金鈦合金為主，但是鈦合金自身的價(jià)格較高，因此實(shí)驗(yàn)室常常采用鋁合金材料為實(shí)驗(yàn)材料，本發(fā)明采用的是航空常用材料2024-T3鋁合金件作為實(shí)驗(yàn)材料。在設(shè)計(jì)試驗(yàn)件時(shí)我們采用小板驗(yàn)證的方式，這種設(shè)計(jì)方式比較簡(jiǎn)單也可以較高程度的模擬真實(shí)情況，設(shè)計(jì)尺寸為300*100*2(mm)。

其中，在步驟2中所述的“對(duì)試樣件進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析”，其作法如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)的材料的彈性模量，以及兩端的預(yù)緊力75Mpa，可以計(jì)算出板材兩端承受的力大小。并且根據(jù)靜態(tài)載荷加載條件下，板材一側(cè)受到類似均勻的加載力，另一端不受力。此外由于兩端加持的作用，導(dǎo)致板材的自由端數(shù)目減少，這些分析結(jié)果都需要在步驟2有限元分析中使用。此外，將上述分析的結(jié)果導(dǎo)入到ANSYS軟件中，并利用工程CAD軟件進(jìn)行3D建模，并將模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，按照相關(guān)步驟進(jìn)行網(wǎng)格繪制，最終得到裂紋尖端塑性區(qū)受力情況。

其中，在步驟4中所述的“根據(jù)有限元仿真結(jié)果反推FBG傳感器反射光譜圖像規(guī)律”，其作法如下：根據(jù)有限元仿真到具體裂紋長(zhǎng)度下，如裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度為3mm時(shí)，此時(shí)裂紋尖端塑性區(qū)的受力情況可以根據(jù)ANSYS軟件仿真得到，當(dāng)裂紋穿過光纖光柵傳感器前中后，根據(jù)此時(shí)ANSYS軟件得到的仿真結(jié)果在Polyspace Code Prover軟件中將相應(yīng)大小的力加載到光纖光柵傳感器上，觀察光纖光柵受力與反射譜之間的關(guān)系。

其中，在步驟6中所述的“對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理”，其作法如下：將電子顯微鏡直觀記錄到的裂紋長(zhǎng)度的圖片根據(jù)與光纖光柵傳感器之間的距離進(jìn)行分類，根據(jù)微光靜態(tài)光纖光柵解調(diào)儀SM125儀器采集到的光纖光柵傳感器的反射譜圖像、包含該時(shí)刻下光譜信息的txt文件，導(dǎo)入到MATLAB軟件中進(jìn)行處理。

通過以上步驟，實(shí)現(xiàn)了一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法研究。達(dá)到了診斷孔邊裂紋長(zhǎng)度的研究效果，解決了工程應(yīng)用中關(guān)于鋁合金板孔邊裂紋長(zhǎng)度的定位問題。

本發(fā)明是一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，其優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)目前大多是通過傳感器軸向布貼的方式監(jiān)測(cè)y軸方向的應(yīng)變梯度，本發(fā)明研究了橫向布貼下x軸方向的應(yīng)變梯度變化。

(2)目前FBG傳感器大多數(shù)的布貼方式為軸向布貼，這種布貼方式對(duì)板材所受的拉應(yīng)力感知敏感，但是對(duì)板材所受的相對(duì)壓應(yīng)力感知不敏感，因此本發(fā)明采用橫向布貼FBG傳感器不僅可以感知板材所受的壓應(yīng)力還可以對(duì)孔邊裂紋x軸方向上的應(yīng)變梯度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(3)利用光纖光柵光譜圖像次峰峰的位置變化判斷裂紋是否穿過FBG傳感器，這是一種基于光學(xué)性質(zhì)本身的具有物理意義的判斷方法。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述方法流程圖。

圖2為本發(fā)明所述方法總體過程示意圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中試驗(yàn)件規(guī)格示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例孔邊裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力分布圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中光纖傳感器布置示意圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例中裂紋穿過FBG傳感器前中后次峰峰位置曲線。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明提供了一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，該方法的總體過程示意圖如圖1、2所示。

本發(fā)明一種基于橫向布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，通過如下步驟具體實(shí)現(xiàn)：

第一步，選擇試樣件鋁合金薄板如圖3所示，其型號(hào)規(guī)格:鋁合金2024-T3，300*100*2(mm)。為了較快地出現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象，在鋁合金薄板的中心開有一直徑Φ10mm的圓孔，同時(shí)在孔的右側(cè)平行于短軸的方向預(yù)制3mm長(zhǎng)的小裂紋。

第二步，對(duì)試樣件監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，通過有限元仿真確定裂紋擴(kuò)展到具體長(zhǎng)度下的裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力分布情況。確定試驗(yàn)最大加載應(yīng)力為75MPa，應(yīng)力比為0.1，加載頻率為3Hz。根據(jù)已確定的試驗(yàn)條件，對(duì)試樣件利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示，得到裂紋擴(kuò)展到不同長(zhǎng)度下裂紋尖端附件區(qū)域的應(yīng)力分布情況。

第三步，根據(jù)有限元仿真結(jié)果在鋁合金2024-T3薄板上布貼光纖光柵傳感器。

以缺口頂端為原點(diǎn)，沿裂紋擴(kuò)展方向?yàn)閤軸，與裂紋擴(kuò)展方向垂直的方向?yàn)閥軸。根據(jù)第二步有限元仿真的結(jié)果可以看出，在裂紋尖端塑性區(qū)內(nèi)感知的非均勻應(yīng)變比較大，在裂紋尖端x軸方向4mm位置處，y軸方向1-2mm處感知的非均勻應(yīng)變比較大。因此，我們?cè)诒O(jiān)測(cè)裂紋時(shí)，在距離預(yù)制裂紋x軸方向4mm處采取橫向布貼光纖光柵方式，其坐標(biāo)為(4,-2)如圖5所示。

第四步，根據(jù)第三步對(duì)x軸方向4mm裂紋的有限元仿真結(jié)果，反推布貼位置為(4，-2)處的FBG傳感器光譜圖像。

第五步，將布置有FBG傳感器的鋁合金薄板裝載到疲勞試驗(yàn)機(jī)上，在進(jìn)行試驗(yàn)前，需要對(duì)FBG傳感器進(jìn)行調(diào)試，包括測(cè)試傳感器信號(hào)的采集是否正常，測(cè)試儀器是否正常工作等。加載條件如第一步所述，每當(dāng)裂紋擴(kuò)展1mm，就記錄裂紋長(zhǎng)度a，加載循環(huán)數(shù)并采集FBG傳感器的反射光譜。

第六步，完成試驗(yàn)后，對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理。主要分析FBG傳感器采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)，分析反射光譜中次峰峰位置在裂紋穿越FBG傳感器前中后的變化情況，建立基于反射譜次峰峰位置監(jiān)測(cè)鋁合金板孔邊裂紋擴(kuò)展的方法。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到FBG傳感器前中后時(shí)，F(xiàn)BG傳感器感知不均勻應(yīng)變，隨著不均勻應(yīng)變的增加，F(xiàn)BG傳感器反射譜出現(xiàn)次峰峰現(xiàn)象。當(dāng)裂紋穿過FBG前，反射譜的次峰峰位置出現(xiàn)在中心波長(zhǎng)的左側(cè)；當(dāng)裂紋穿過FBG時(shí)，反射譜次峰峰位置出現(xiàn)在中心波長(zhǎng)的右側(cè)；當(dāng)裂紋穿過FBG后，反射譜次峰峰位置又恢復(fù)到中心波長(zhǎng)的左側(cè)，如圖6所示是裂紋長(zhǎng)度為4mm時(shí)穿越位置為(4,0)的FBG傳感器前中后次峰峰位置的變化情況。

第七步，重復(fù)步驟1-5，并針對(duì)不同試樣下光纖光柵傳感器采集到的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行分析，驗(yàn)證步驟6中建立的方法；

第八步，在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過程中，根據(jù)不同布貼位置的FBG傳感器反射譜次峰峰的位置可以判斷裂紋是否擴(kuò)展到該光柵區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了裂紋長(zhǎng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能。