[發明專利]一種基于光纖光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法

在審

• 申請號: 201611027714.7
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN106596255A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 張衛方;張萌;金博;李英武;任飛飛;劉曉鵬;梁小貝;魏巍;高曉巖
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N3/06
• 分類號: G01N3/06
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

技術領域

本發明提供一種基于光纖光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，它應用于金屬板材的疲勞裂紋監測問題，具體涉及一種采用光纖光柵傳感器光譜特性對鋁合金薄板疲勞裂紋擴展情況進行監測的方法，屬于結構健康監測領域。

背景技術

結構健康監控是一種利用先進的智能傳感器實時監測結構健康狀況的技術，它與傳統的無損檢測技術相比更高效更具有針對性，因此在航空航天領域得到廣泛應用。疲勞裂紋是金屬結構件的一種典型損傷，如果在裂紋萌生和擴展過程的初始階段不能進行有效的監測將會造成嚴重的后果。目前，采用結構健康監控技術對孔邊裂紋進行監測是一種有效的手段，其中常采用的傳感器有光纖傳感器、智能涂層傳感器等。光纖光柵傳感器相比于其他傳感器而言具有電絕緣、抗強電磁干擾、耐腐蝕、靈敏度高等優點。隨著裂紋的擴展，光纖光柵感知非均勻應變增加到一定程度時，會導致光纖光柵光譜圖像出現“啁啾”現象，此時將出現多峰值現象，如次峰峰，這也是光纖光柵傳感器對結構裂紋的擴展進行監測的關鍵。

在相關文獻和試驗中發現，針對鋁合金板孔邊裂紋擴展過程中裂紋有無的定性問題，智能涂層傳感器在監測時會發生漏檢和虛警的情況，且目前采用光纖光柵傳感器多是建立應變與裂紋長度之間的關系，且提取的特征參數多為沒有物理意義的統計模型，并沒有從光學性質本身角度去解釋裂紋擴展與反射光譜之間的關系。

本專利充分考慮到其他傳感器和光纖光柵傳感器研究的問題，提出一種基于光纖光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提出了一種基于光纖光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，它是一種基于光纖光譜圖像分析來監測鋁合金板孔邊裂紋有無的診斷方法。本發明以實驗數據為基礎，通過理論分析建立裂紋有無與光纖光柵FBG傳感器光譜圖像次峰峰位置之間的關系，并通過實驗數據驗證該診斷方法的正確性。

本發明是一種基于光纖光譜圖像分析來監測鋁合金板孔邊裂紋的診斷方法，監測的裂紋多為局部裂紋，這種裂紋的擴展方向與主應力的方向垂直。

本發明一種基于光纖光譜圖像分析的孔邊裂紋診斷方法，如圖1，其具體步驟如下：

步驟1：選擇試驗件，并對試樣件進行設計，在試樣件中心區域預制一預定直徑的中心孔并在孔邊一側預制一預定長度裂紋；

步驟2：對試樣件進行結構力學分析，分析試樣件兩端的受力情況，并對試樣件進行有限元仿真分析確定該裂紋擴展到具體長度下的裂紋尖端區域的應力分布情況；在有限元分析前需確定外界加載條件(如載荷類型)及試樣件材料、彈性模量等相關參數，明確監測的裂紋長度等；根據已確定的試驗條件，對試樣件利用有限元仿真軟件即ANSYS軟件進行有限元仿真分析，得到裂紋擴展到不同長度時裂紋尖端附件區域的應力值；

步驟3：在鋁合金薄板(如2024-T3型薄板)上布貼光纖光柵傳感器；

根據鋁合金薄板孔邊區域裂紋擴展情況，在與裂紋擴展方向垂直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，確定相應的光纖光柵FBG傳感器的位置坐標(x_i,y_i)，使布置的光纖光柵FBG傳感器能明顯的感知裂紋尖端的應力變化；

步驟4：根據有限元仿真結果反推光纖光柵FBG傳感器反射光譜圖像規律；

根據鋁合金薄板孔邊區域裂紋擴展到具體長度下的有限元仿真結果來反推不同位置的FBG傳感器的反射光譜圖像應該呈現出怎樣的規律；

步驟5：將以上貼有光纖光柵FBG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，采集光纖光柵FBG傳感器的信號作為初始信號；隨著疲勞加載的進行，疲勞裂紋開始擴展，此時通過光學顯微鏡觀察裂紋擴展情況，實時記錄裂紋長度每增加1mm時的循環周次并在疲勞試驗機處于飽載的情況下利用美國微光SM125采集不同裂紋長度下的光譜圖像；

步驟6：完成試驗后，對光纖光柵FBG傳感器采集的信號進行處理；主要分析處理光纖傳感器采集到的信號數據，分析反射光譜中次峰峰位置在裂紋穿越FBG傳感器前中后的變化情況，并和步驟3中根據有限元仿真結果反推的反射光譜圖像進行對比驗證，建立基于光纖光柵反射譜次峰峰位置監測鋁合金板孔邊裂紋擴展的方法；

步驟7：重復步驟1-5，并針對不同試樣下FBG傳感器采集到的響應信號進行分析，驗證步驟6中建立的方法；