本發(fā)明提供一種基于兩種布貼光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋綜合診斷方它涉及一種基于兩種布貼方式下光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法研究，即對(duì)金屬、復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)，具體涉及光纖光柵傳感器對(duì)鋁合金薄板疲勞裂紋擴(kuò)展情況的綜合監(jiān)測(cè)，這種方法屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

航空結(jié)構(gòu)金屬材料中鋁合金材料的使用十分廣泛，目前針對(duì)航空結(jié)構(gòu)元件的結(jié)構(gòu)疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的監(jiān)測(cè)問(wèn)題，仍沒有一種十分成熟的監(jiān)控方法。一旦結(jié)構(gòu)元件出現(xiàn)裂紋，如果不能進(jìn)行有效的監(jiān)控會(huì)造成極為嚴(yán)重的后果。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種通過(guò)智能傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)健康狀況的技術(shù)與傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)相比可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的功能。此外本發(fā)明采用的光纖光柵傳感器質(zhì)量輕、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有潛力的傳感器之一。本發(fā)明通過(guò)在帶孔金屬薄板上布貼光纖光柵傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)鋁合金板孔邊裂紋擴(kuò)展情況，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，此外光纖光柵反射譜中心波長(zhǎng)的位置、半高寬、次峰峰位置等也會(huì)發(fā)生變化，這些和光纖光柵布貼區(qū)域所感知的軸向應(yīng)變的三次方有關(guān)，這也是通過(guò)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，目前針對(duì)光纖光柵監(jiān)測(cè)鋁合金板孔邊裂紋的研究還停留在對(duì)光纖光柵傳感器感知的應(yīng)變與裂紋擴(kuò)展建立的關(guān)系上，但這種方法不能從光學(xué)機(jī)理上解釋裂紋產(chǎn)生與發(fā)展對(duì)光纖光柵本身光譜變化的影響。在布貼方式上，本發(fā)明不同于其他的布貼方法，采用軸向布貼與橫向布貼相結(jié)合的方式。這種布貼方式是在單種布貼方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的結(jié)果，它可以更加敏感的感知到板子周圍的壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的變化。

本專利充分考慮到上述光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)鋁合金板孔邊裂紋的問(wèn)題，提出一種基于兩種布貼方式下光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于兩種布貼方式下光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法研究。本發(fā)明以實(shí)驗(yàn)分析為基礎(chǔ)，通過(guò)理論研究建立光纖光柵(FBG)傳感器光譜圖像變化與裂紋的有無(wú)之間的關(guān)系，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該診斷方法的正確性，其中監(jiān)測(cè)的裂紋類型多為Ⅰ型裂紋。

本發(fā)明一種基于兩種布貼方式下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：選擇實(shí)驗(yàn)材料2024-T3鋁合金板并設(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：在鋁合金2024-T3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)展平行與垂直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，優(yōu)化布局光纖光柵傳感器的位置(x_i,y_i)，使布置的光纖光柵傳感器可以更明顯的感知裂紋尖端的縱向和橫向非均勻應(yīng)變的變化；

步驟4：對(duì)光纖光柵反射光譜圖像進(jìn)行軸向應(yīng)力二次方、三次方的仿真，并將仿真結(jié)果與真實(shí)的反射光譜圖像進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)力三次方的仿真結(jié)果與真實(shí)的圖像更為接近，因此我們可以認(rèn)為光纖光柵主要受到軸向應(yīng)力三次方的影響。

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(guò)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(guó)微光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)，分析光纖光柵傳感器反射光譜在裂紋穿越光纖光柵傳感器前中后的變化情況，建立基于兩種布貼方式下光纖光柵反射譜變化來(lái)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(guò)程中，根據(jù)不同位置光纖光柵傳感器反射光譜變化，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“選擇實(shí)驗(yàn)材料2024-T3鋁合金板并設(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“對(duì)光纖光柵反射光譜圖像進(jìn)行軸向應(yīng)力二次方、三次方的仿真”，其作法如下：利用MATLAB軟件計(jì)算在非均勻應(yīng)力下的反射光譜，首先確定光纖光柵的原始布拉格波長(zhǎng)，有效折射率，平均指數(shù)，長(zhǎng)度，楊氏模量，泊松比，彈光系數(shù)等。然后帶入公式進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，光纖光柵在非均勻應(yīng)變下的反射光譜響應(yīng)情況。

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，建立橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為光纖光柵反射率的圖像，并選取中心波長(zhǎng)附近的圖像進(jìn)行放大，觀察其圖像變化規(guī)律情況。

通過(guò)以上步驟，實(shí)現(xiàn)了一種基于兩種布貼方式下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(wèn)題。

本發(fā)明一種基于光纖光譜圖像分析的孔邊裂紋綜合診斷方法，其優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)針對(duì)目前大多數(shù)軸向布貼光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)鋁合金板孔邊裂紋的方法，采用軸向和橫向相結(jié)合的方式，這種可以在一定程度上彌補(bǔ)單獨(dú)軸向布貼和橫向布貼的不足。

(2)區(qū)別于常見的根據(jù)光纖光柵傳感器感知的應(yīng)變與裂紋擴(kuò)展建立關(guān)系的做法，而是對(duì)光譜圖像本身特征進(jìn)行分析，建立光纖光柵反射光譜圖像與裂紋擴(kuò)展之間的關(guān)系。這是一種基于光學(xué)機(jī)理的監(jiān)測(cè)方法，具有一定的物理意義。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所述方法流程圖。

圖2為本發(fā)明提供的總體設(shè)計(jì)示意圖。

圖3本發(fā)明實(shí)施例中試驗(yàn)件規(guī)格示意圖。

圖4本發(fā)明實(shí)施例中光纖傳感器布置示意圖。

圖5(a)為光纖光柵受軸向應(yīng)力二次方時(shí)的反射譜。

圖5(b)為光纖光柵受軸向應(yīng)力二次方時(shí)的反射譜。

圖5(c)為光纖光柵受軸向應(yīng)力三次方時(shí)的反射譜。

圖5(d)為光纖光柵受軸向應(yīng)力三次方時(shí)的反射譜。

圖6(a)為橫向布貼的FBG傳感器，裂紋穿過(guò)傳感器前后中心波長(zhǎng)的變化曲線。

圖6(b)為橫向布貼的FBG傳感器，裂紋穿過(guò)傳感器前后中心波長(zhǎng)的變化曲線。

圖6(c)為縱向布貼的FBG傳感器，裂紋穿過(guò)傳感器前后中心波長(zhǎng)的變化曲線。

圖6(d)為縱向布貼的FBG傳感器，裂紋穿過(guò)傳感器前后中心波長(zhǎng)的變化曲線。

圖中序號(hào)、符號(hào)、代號(hào)說(shuō)明如下：

圖5(a)中ε＝5z²；圖5(b)中ε＝10z²；圖5(c)中ε＝10z³；圖5(d)中ε＝70z³。

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(shuō)明。本發(fā)明提供了一種基于兩種布貼方式下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(guò)程示意圖如圖2所示。

本發(fā)明一種基于兩種布貼方式下光纖光柵光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，如圖1所示，通過(guò)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(型號(hào)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(guò)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，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，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)，在縱軸方向上，我們?cè)诒O(jiān)測(cè)裂紋時(shí)，在距離預(yù)制裂紋x軸方向2mm處開始采取軸向布貼光纖光柵方式，其坐標(biāo)為(2,0),(4,0)，(6,0)，(8,0)，如圖4所示。

第四步，對(duì)光纖光柵受到軸向應(yīng)力二次方、三次方時(shí)的反射光譜圖像進(jìn)行仿真，并將仿真結(jié)果與真實(shí)的反射光譜圖像進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光纖光柵受到軸向應(yīng)力三次方時(shí)得到的反射光譜圖像仿真結(jié)果與真實(shí)的反射光譜圖像更為接近，因此我們可以認(rèn)為光纖光柵主要受到軸向應(yīng)力三次方的影響，如圖5(a)、圖5(b)圖5(c)及圖5(d)所示。

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傳感器采集到的反射光譜的信號(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，中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移、半高寬變寬、光纖光柵光譜圖像出現(xiàn)“啁啾”現(xiàn)象、光纖光柵傳感器反射譜出現(xiàn)次峰峰現(xiàn)象，通過(guò)對(duì)比研究橫向與縱向光纖光柵反射譜次峰位置與數(shù)量的變化，隨著裂紋的擴(kuò)展，橫向布貼光纖光柵傳感器反射譜次峰峰數(shù)量增多，且出現(xiàn)在主峰的左側(cè)，在穿越FBG過(guò)程中，次峰出現(xiàn)在主峰的右側(cè)，當(dāng)穿過(guò)FBG后，次峰出現(xiàn)又恢復(fù)在主峰的左側(cè)。對(duì)于軸向布貼的光纖光柵而言，反射譜次峰出現(xiàn)位置在裂紋穿過(guò)FBG前后均與橫向布貼的光纖光柵相反。如圖6(a)、圖6(b)圖6(c)及圖6(d)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(guò)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。