[發(fā)明專利]一種橫向布貼光纖光柵光譜特征參數(shù)變化的裂紋診斷方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810245517.5
• 申請(qǐng)日: 2018-03-23
• 公開（公告）號(hào): CN108896549A
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張衛(wèi)方;金博;張萌;戴偉;高曉巖;王翔宇;劉曉鵬;梁小貝
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/88
• 分類號(hào): G01N21/88
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

1.一種橫向布貼光纖光柵光譜特征參數(shù)變化的裂紋診斷方法，其特征在于：具體實(shí)施步驟如下：

步驟1：選擇實(shí)驗(yàn)材料鋁合金薄板并設(shè)計(jì)試樣件，在試樣件中心區(qū)域預(yù)制一預(yù)定直徑的中心孔并在孔邊預(yù)制一預(yù)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，確定外界加載條件及試樣件材料、彈性模量相關(guān)參數(shù)；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)展到一預(yù)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：在鋁合金薄板上布貼光纖光柵傳感器；

根據(jù)鋁合金薄板孔邊區(qū)域裂紋擴(kuò)展情況，在與裂紋擴(kuò)展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能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：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(guó)微光SM125采集不同裂紋長(zhǎng)度在循環(huán)加載外載荷飽載下的光譜圖像；

步驟5：完成試驗(yàn)后，對(duì)光纖光柵傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行處理；分析處理光纖光柵傳感器采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)，提取能夠表征裂紋擴(kuò)展行為的光纖光柵光譜特征參數(shù)，其中包括中心波長(zhǎng)、半高寬即FWHM、四分之一寬即FWQM、次峰峰位置特征參數(shù)；通過分析疲勞裂紋擴(kuò)展過程中光纖光柵傳感器特征參數(shù)的變化與疲勞裂紋長(zhǎng)度之間的關(guān)系，建立基于橫向布貼方式下光纖光柵光譜特征參數(shù)變化的裂紋診斷方法；

步驟6：重復(fù)步驟1-4，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5中建立的方法；

通過以上步驟，實(shí)現(xiàn)了一種基于橫向布貼方式下光纖光柵光譜特征參數(shù)變化的裂紋診斷方法，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)度的定量問題。

2.一種橫向布貼光纖光柵光譜特征參數(shù)變化的裂紋診斷方法，其特征在于：

在步驟1、3、4中所述的“鋁合金薄板”，其型號(hào)為“2024-T3”。

3.一種橫向布貼光纖光柵光譜特征參數(shù)變化的裂紋診斷方法，其特征在于：

在步驟1中所述的“選擇實(shí)驗(yàn)材料鋁合金薄板并設(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型鋁合金件作為實(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)方式簡(jiǎn)單也能高程度的模擬真實(shí)情況，設(shè)計(jì)尺寸為300*100*2(mm)。

4.一種橫向布貼光纖光柵光譜特征參數(shù)變化的裂紋診斷方法，其特征在于：

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，能計(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。

5.一種橫向布貼光纖光柵光譜特征參數(shù)變化的裂紋診斷方法，其特征在于：

在步驟5中所述的“對(duì)光纖光柵傳感器采集的信號(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)刻下光譜信息的文本文件，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；利用MATLAB軟件編寫代碼，提取光纖光柵反射光譜的中心波長(zhǎng)、歸一化峰值、半高寬、次峰峰數(shù)量的變化和次峰峰的位置特征參數(shù)，并記錄板結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展過程中相關(guān)特征參數(shù)的變化規(guī)律，建立該特征參數(shù)與疲勞裂紋的長(zhǎng)度之間的定量模型。