[发明专利]一种基于光纤光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法

说明书

技术领域

本发明提供一种基于光纤光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，它应用于金属板材的疲劳裂纹监测问题，具体涉及一种采用光纤光栅传感器光谱特性对铝合金薄板疲劳裂纹扩展情况进行监测的方法，属于结构健康监测领域。

背景技术

结构健康监控是一种利用先进的智能传感器实时监测结构健康状况的技术，它与传统的无损检测技术相比更高效更具有针对性，因此在航空航天领域得到广泛应用。疲劳裂纹是金属结构件的一种典型损伤，如果在裂纹萌生和扩展过程的初始阶段不能进行有效的监测将会造成严重的后果。目前，采用结构健康监控技术对孔边裂纹进行监测是一种有效的手段，其中常采用的传感器有光纤传感器、智能涂层传感器等。光纤光栅传感器相比于其他传感器而言具有电绝缘、抗强电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高等优点。随着裂纹的扩展，光纤光栅感知非均匀应变增加到一定程度时，会导致光纤光栅光谱图像出现“啁啾”现象，此时将出现多峰值现象，如次峰峰，这也是光纤光栅传感器对结构裂纹的扩展进行监测的关键。

在相关文献和试验中发现，针对铝合金板孔边裂纹扩展过程中裂纹有无的定性问题，智能涂层传感器在监测时会发生漏检和虚警的情况，且目前采用光纤光栅传感器多是建立应变与裂纹长度之间的关系，且提取的特征参数多为没有物理意义的统计模型，并没有从光学性质本身角度去解释裂纹扩展与反射光谱之间的关系。

本专利充分考虑到其他传感器和光纤光栅传感器研究的问题，提出一种基于光纤光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于光纤光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，它是一种基于光纤光谱图像分析来监测铝合金板孔边裂纹有无的诊断方法。本发明以实验数据为基础，通过理论分析建立裂纹有无与光纤光栅FBG传感器光谱图像次峰峰位置之间的关系，并通过实验数据验证该诊断方法的正确性。

本发明是一种基于光纤光谱图像分析来监测铝合金板孔边裂纹的诊断方法，监测的裂纹多为局部裂纹，这种裂纹的扩展方向与主应力的方向垂直。

本发明一种基于光纤光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，如图1，其具体步骤如下：

步骤1：选择试验件，并对试样件进行设计，在试样件中心区域预制一预定直径的中心孔并在孔边一侧预制一预定长度裂纹；

步骤2：对试样件进行结构力学分析，分析试样件两端的受力情况，并对试样件进行有限元仿真分析确定该裂纹扩展到具体长度下的裂纹尖端区域的应力分布情况；在有限元分析前需确定外界加载条件(如载荷类型)及试样件材料、弹性模量等相关参数，明确监测的裂纹长度等；根据已确定的试验条件，对试样件利用有限元仿真软件即ANSYS软件进行有限元仿真分析，得到裂纹扩展到不同长度时裂纹尖端附件区域的应力值；

步骤3：在铝合金薄板(如2024-T3型薄板)上布贴光纤光栅传感器；

根据铝合金薄板孔边区域裂纹扩展情况，在与裂纹扩展方向垂直方向上布贴光纤光栅传感器，令裂纹扩展方向为x轴，与裂纹扩展方向垂直的方向为y轴，根据上述有限元仿真结果，确定相应的光纤光栅FBG传感器的位置坐标(x_i,y_i)，使布置的光纤光栅FBG传感器能明显的感知裂纹尖端的应力变化；

步骤4：根据有限元仿真结果反推光纤光栅FBG传感器反射光谱图像规律；

根据铝合金薄板孔边区域裂纹扩展到具体长度下的有限元仿真结果来反推不同位置的FBG传感器的反射光谱图像应该呈现出怎样的规律；

步骤5：将以上贴有光纤光栅FBG传感器的铝合金薄板安装在疲劳试验机上进行疲劳裂纹扩展试验，在疲劳试验机加载前，采集光纤光栅FBG传感器的信号作为初始信号；随着疲劳加载的进行，疲劳裂纹开始扩展，此时通过光学显微镜观察裂纹扩展情况，实时记录裂纹长度每增加1mm时的循环周次并在疲劳试验机处于饱载的情况下利用美国微光SM125采集不同裂纹长度下的光谱图像；

步骤6：完成试验后，对光纤光栅FBG传感器采集的信号进行处理；主要分析处理光纤传感器采集到的信号数据，分析反射光谱中次峰峰位置在裂纹穿越FBG传感器前中后的变化情况，并和步骤3中根据有限元仿真结果反推的反射光谱图像进行对比验证，建立基于光纤光栅反射谱次峰峰位置监测铝合金板孔边裂纹扩展的方法；

步骤7：重复步骤1-5，并针对不同试样下FBG传感器采集到的响应信号进行分析，验证步骤6中建立的方法；