[發明專利]一種橫向布貼光纖光柵光譜特征參數變化的裂紋診斷方法

在審

• 申請號: 201810245517.5
• 申請日: 2018-03-23
• 公開（公告）號: CN108896549A
• 公開（公告）日: 2018-11-27
• 發明（設計）人: 張衛方;金博;張萌;戴偉;高曉巖;王翔宇;劉曉鵬;梁小貝
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/88
• 分類號: G01N21/88
• 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

本發明提供一種基于橫向布貼方式下光纖光柵光譜特征參數變化的裂紋診斷方法，步驟如下：1：選擇設計試樣件，在試樣件中心區域預制中心孔和裂紋；2：對試樣件進行結構力學分析，確定外界加載條件及試樣件材料、彈性模量相關參數；3：在鋁合金薄板上布貼光纖光柵傳感器；4：將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；5：對光纖光柵傳感器采集的信號進行處理；6：重復步驟1?4，驗證步驟5中建立的方法；通過以上步驟，實現了一種基于橫向布貼方式下光纖光柵光譜特征參數變化的裂紋診斷方法，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于鋁合金板孔邊裂紋長度的定量問題。

技術領域

本發明提供一種橫向布貼光纖光柵光譜特征參數變化的裂紋診斷方法,它涉及一種基于橫向布貼方式下光纖光柵光譜特征參數變化規律對裂紋長度進行定量的分析研究，即對航空鋁合金結構裂紋損傷進行監測，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，這種方法屬于結構健康監控領域。

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后果。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。此外本發明采用的光纖光柵傳感器質量輕、抗環境干擾能力強，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、四分之一帶寬、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多是基于光纖光柵光譜特征參數變化的定性研究，通過提取對裂紋損傷敏感的光纖光柵光譜特征參數的定量研究較少，且多是基于數據分析的統計模型，并沒有建立基于物理機制的光纖光柵光譜定量分析方法。本發明是基于橫向布貼方式下光纖光柵光譜特征參數變化的裂紋診斷方法研究，不同于之前的研究，通過提取具有物理意義的特征參數表征裂紋損傷的變化，可實現鋁合金結構裂紋損傷的定量研究。

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，提出一種基于橫向布貼方式下光纖光柵光譜特征參數變化的裂紋診斷方法研究。

發明內容

本發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特征參數變化的裂紋診斷方法,即一種基于橫向布貼方式下光纖光柵光譜特征參數變化的裂紋診斷方法。本發明以實驗分析為基礎，通過理論研究建立光纖光柵(FBG)傳感器光纖光柵光譜特征參數變化與裂紋長度之間的關系，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。

本發明一種光纖光柵光譜特征參數變化的裂紋診斷方法,即一種基于橫向布貼方式下光纖光柵光譜特征參數變化的裂紋診斷方法，其流程圖如圖1，具體實施步驟如下：

步驟1：選擇實驗材料鋁合金薄板(型號：2024-T3)并設計試樣件，在試樣件中心區域預制一定直徑的中心孔并在孔邊預制一定長度裂紋；

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件ANSYS軟件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：在鋁合金薄板(型號：2024-T3)上布貼光纖光柵傳感器；