一種基於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與流程

2023-05-21 00:15:41

本發明提供一種基於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於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，即對金屬、複合材料等結構損傷監測，具體涉及光纖光柵傳感器對鋁合金薄板疲勞裂紋擴展情況的綜合監測，這種方法屬於結構健康監控領域。

背景技術：

航空結構金屬材料中鋁合金材料的使用十分廣泛，目前針對航空結構元件的結構疲勞裂紋萌生與擴展的監測問題，仍沒有一種十分成熟的監控方法。一旦結構元件出現裂紋，如果不能進行有效的監控會造成極為嚴重的後果。結構健康監測技術作為一種通過智能傳感器監測結構健康狀況的技術與傳統的無損檢測相比可以實現實時在線監測的功能。此外本發明採用的光纖光柵傳感器質量輕、抗環境幹擾能力強，被認為是21世紀最具有潛力的傳感器之一。本發明通過在帶孔金屬薄板上布貼光纖光柵傳感器來監測鋁合金板孔邊裂紋擴展情況，隨著裂紋的擴展，光纖光柵感知非均勻應變會逐漸的增大，會導致光纖光柵光譜圖像出現「啁啾」現象，當增加到一定程度時，將會出現多峰值現象，如次峰峰等，此外光纖光柵反射譜中心波長的位置、半高寬、次峰峰位置等也會發生變化，這些和光纖光柵布貼區域所感知的軸向應變的三次方有關，這也是通過光纖光柵傳感器對結構裂紋擴展進行監測的關鍵。

有研究表明，目前針對光纖光柵監測鋁合金板孔邊裂紋的研究還停留在對光纖光柵傳感器感知的應變與裂紋擴展建立的關係上，但這種方法不能從光學機理上解釋裂紋產生與發展對光纖光柵本身光譜變化的影響。在布貼方式上，本發明不同於其他的布貼方法，採用軸向布貼與橫向布貼相結合的方式。這種布貼方式是在單種布貼方式的基礎上進行改進的結果，它可以更加敏感的感知到板子周圍的壓應力與拉應力的變化。

本專利充分考慮到上述光纖光柵傳感器監測鋁合金板孔邊裂紋的問題，提出一種基於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。

技術實現要素：

本發明為了解決上述問題，提出了一種基於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。本發明以實驗分析為基礎，通過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之間的關係，再結合實驗結果驗證該診斷方法的正確性，其中監測的裂紋類型多為Ⅰ型裂紋。

本發明一種基於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，具體實施步驟如下：

步驟1：選擇實驗材料2024-T3鋁合金板並設計試樣件，在試樣件中心區域預製一定直徑的中心孔並在孔邊預製一定長度裂紋；

步驟2：對試樣件進行結構力學分析，確定外界加載條件(如載荷類型)及試樣件材料、彈性模量等相關參數等；根據已確定的試驗條件，對試驗件利用有限元仿真軟體ANSYS軟體進行有限元仿真分析，得到裂紋擴展到一定長度下裂紋尖端附件區域的應力分布情況；

步驟3：在鋁合金2024-T3薄板上布貼光纖光柵傳感器；

根據鋁合金板孔邊區域裂紋擴展情況，在與裂紋擴展平行與垂直的方向上布貼光纖光柵傳感器，令裂紋擴展方向為x軸，與裂紋擴展方向垂直的方向為y軸，根據上述有限元仿真結果，優化布局光纖光柵傳感器的位置(xi,yi)，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變的變化；

步驟4：對光纖光柵反射光譜圖像進行軸向應力二次方、三次方的仿真，並將仿真結果與真實的反射光譜圖像進行比較，發現軸向應力三次方的仿真結果與真實的圖像更為接近，因此我們可以認為光纖光柵主要受到軸向應力三次方的影響。

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機上進行疲勞裂紋擴展試驗，在疲勞試驗機加載前，採集光纖光柵傳感器的信號作為初始信號；隨著疲勞加載的進行，孔邊裂紋開始擴展，此時通過光學顯微鏡實時記錄不同循環周次下的裂紋長度並利用美國微光SM125採集不同裂紋長度飽載下的光譜圖像；

步驟6：完成試驗後，對傳感器採集的信號進行處理；主要分析處理光纖傳感器採集到的信號數據，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後的變化情況，建立基於兩種布貼方式下光纖光柵反射譜變化來監測鋁合金板孔邊裂紋擴展的方法；

步驟7：重複步驟1-5，並針對不同試樣下光纖光柵傳感器採集到的響應信號進行分析，驗證步驟6中建立的方法；

步驟8：實際監測過程中，根據不同位置光纖光柵傳感器反射光譜變化，判別裂紋是否擴展到該傳感器位置，實現實時監測裂紋擴展情況的功能。

其中，在步驟1中所述的「選擇實驗材料2024-T3鋁合金板並設計試樣件」，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格較高，因此實驗室常常採用鋁合金材料為實驗材料，本發明採用的是航空常用材料2024-T3鋁合金件作為實驗材料。在設計試驗件時我們採用小板驗證的方式，這種設計方式比較簡單也可以較高程度的模擬真實情況，設計尺寸為300*100*2(mm)。

其中，在步驟2中所述的「對試樣件進行結構力學分析」，其作法如下：根據實驗的材料的彈性模量，以及兩端的預緊力75Mpa，可以計算出板材兩端承受的力大小。並且根據靜態載荷加載條件下，板材一側受到類似均勻的加載力，另一端不受力。此外由於兩端加持的作用，導致板材的自由端數目減少，這些分析結果都需要在步驟2有限元分析中使用。此外，將上述分析的結果導入到ANSYS軟體中，並利用工程CAD軟體進行3D建模，並將模型導入ANSYS軟體中，按照相關步驟進行網格繪製，最終得到裂紋尖端塑性區受力情況。

其中，在步驟4中所述的「對光纖光柵反射光譜圖像進行軸向應力二次方、三次方的仿真」，其作法如下：利用MATLAB軟體計算在非均勻應力下的反射光譜，首先確定光纖光柵的原始布拉格波長，有效折射率，平均指數，長度，楊氏模量，泊松比，彈光係數等。然後帶入公式進行理論預測，光纖光柵在非均勻應變下的反射光譜響應情況。

其中，在步驟6中所述的「對傳感器採集的信號進行處理」，其作法如下：將電子顯微鏡直觀記錄到的裂紋長度的圖片根據與光纖光柵傳感器之間的距離進行分類，根據微光靜態光纖光柵解調儀SM125儀器採集到的光纖光柵傳感器的反射譜圖像、包含該時刻下光譜信息的txt文件，導入到MATLAB軟體中進行處理，建立橫軸為波長，縱軸為光纖光柵反射率的圖像，並選取中心波長附近的圖像進行放大，觀察其圖像變化規律情況。

通過以上步驟，實現了一種基於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。達到了診斷孔邊裂紋長度的研究效果，解決了工程應用中關於鋁合金板孔邊裂紋長度的定位問題。

本發明一種基於光纖光譜圖像分析的孔邊裂紋綜合診斷方法，其優點在於：

(1)針對目前大多數軸向布貼光纖光柵傳感器監測鋁合金板孔邊裂紋的方法，採用軸向和橫向相結合的方式，這種可以在一定程度上彌補單獨軸向布貼和橫向布貼的不足。

(2)區別於常見的根據光纖光柵傳感器感知的應變與裂紋擴展建立關係的做法，而是對光譜圖像本身特徵進行分析，建立光纖光柵反射光譜圖像與裂紋擴展之間的關係。這是一種基於光學機理的監測方法，具有一定的物理意義。

附圖說明

圖1為本發明所述方法流程圖。

圖2為本發明提供的總體設計示意圖。

圖3本發明實施例中試驗件規格示意圖。

圖4本發明實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力二次方時的反射譜。

圖5(b)為光纖光柵受軸向應力二次方時的反射譜。

圖5(c)為光纖光柵受軸向應力三次方時的反射譜。

圖5(d)為光纖光柵受軸向應力三次方時的反射譜。

圖6(a)為橫向布貼的FBG傳感器，裂紋穿過傳感器前後中心波長的變化曲線。

圖6(b)為橫向布貼的FBG傳感器，裂紋穿過傳感器前後中心波長的變化曲線。

圖6(c)為縱向布貼的FBG傳感器，裂紋穿過傳感器前後中心波長的變化曲線。

圖6(d)為縱向布貼的FBG傳感器，裂紋穿過傳感器前後中心波長的變化曲線。

圖中序號、符號、代號說明如下：

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

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明提供了一種基於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，該方法的總體過程示意圖如圖2所示。

本發明一種基於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，通過如下步驟具體實現：

第一步，選擇試樣件鋁合金薄板如圖3所示，其型號規格:鋁合金(型號2024-T3)，300*100*2(mm)。為了較快地出現疲勞裂紋擴展現象，在鋁合金薄板的中心開有一直徑Φ10mm的圓孔，同時在孔的右側平行於短軸的方向預製3mm長的小裂紋。

第二步，對試樣件監測部位進行結構力學分析，通過有限元仿真確定裂紋擴展到具體長度下的裂紋尖端區域的應力分布情況。確定試驗最大加載應力為75MPa，應力比為0.1，加載頻率為3Hz。根據已確定的試驗條件，對試樣件利用ANSYS軟體進行有限元仿真分析，得到裂紋擴展到不同長度下裂紋尖端附件區域的應力分布情況。

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，沿裂紋擴展方向為x軸，與裂紋擴展方向垂直的方向為y軸。根據第二步有限元仿真的結果可以看出，在裂紋尖端塑性區內感知的非均勻應變比較大，在裂紋尖端x軸方向4mm位置處，y軸方向1-2mm處感知的非均勻應變比較大。因此，我們在監測裂紋時，在距離預製裂紋x軸方向4mm處採取橫向布貼光纖光柵方式，其坐標為(4,-2)，在縱軸方向上，我們在監測裂紋時，在距離預製裂紋x軸方向2mm處開始採取軸向布貼光纖光柵方式，其坐標為(2,0),(4,0)，(6,0)，(8,0)，如圖4所示。

第四步，對光纖光柵受到軸向應力二次方、三次方時的反射光譜圖像進行仿真，並將仿真結果與真實的反射光譜圖像進行比較，發現當光纖光柵受到軸向應力三次方時得到的反射光譜圖像仿真結果與真實的反射光譜圖像更為接近，因此我們可以認為光纖光柵主要受到軸向應力三次方的影響，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機上，在進行試驗前，需要對FBG傳感器進行調試，包括測試傳感器信號的採集是否正常，測試儀器是否正常工作等。加載條件如第一步所述，每當裂紋擴展1mm，就記錄裂紋長度a，加載循環數並採集FBG傳感器的反射光譜。

第六步，完成試驗後，對傳感器採集的信號進行處理。主要分析FBG傳感器採集到的反射光譜的信號數據，分析反射光譜中次峰峰位置在裂紋穿越FBG傳感器前中後的變化情況，建立基於反射譜次峰峰位置監測鋁合金板孔邊裂紋擴展的方法。當裂紋擴展到FBG傳感器前中後時，FBG傳感器感知不均勻應變，隨著不均勻應變的增加，中心波長向長波長方向漂移、半高寬變寬、光纖光柵光譜圖像出現「啁啾」現象、光纖光柵傳感器反射譜出現次峰峰現象，通過對比研究橫向與縱向光纖光柵反射譜次峰位置與數量的變化，隨著裂紋的擴展，橫向布貼光纖光柵傳感器反射譜次峰峰數量增多，且出現在主峰的左側，在穿越FBG過程中，次峰出現在主峰的右側，當穿過FBG後，次峰出現又恢復在主峰的左側。對於軸向布貼的光纖光柵而言，反射譜次峰出現位置在裂紋穿過FBG前後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)所示是裂紋長度為4mm時穿越位置為(4,0)的FBG傳感器前後次峰峰位置的變化情況。

第七步，重複步驟1-5，並針對不同試樣下光纖光柵傳感器採集到的響應信號進行分析，驗證步驟6中建立的方法

第八步，在實際的監測過程中，根據不同布貼位置的FBG傳感器反射譜次峰峰的位置可以判斷裂紋是否擴展到該光柵區域，實現了裂紋長度實時監測的功能。