[发明专利]一种载荷正态分布规律下机械结构累积疲劳损伤监测传感器、设计方法及监测方法

权利要求书

1.一种载荷正态分布规律下机械结构累积疲劳损伤监测传感器，其特征在于，所述的载荷正态分布规律下机械结构累积疲劳损伤监测传感器(S)包括拉伸臂(A)、柔性封装结构(B)、无线节点(C)和疲劳寿命箔(P)；

所述的拉伸臂(A)沿臂体长度方向分别对称开设大弧形切口(F)和小弧形切口(G)，在拉伸臂(A)上形成高倍应变放大桥(J)和低倍应变放大桥(K)，拉伸臂(A)两端设计有一体结构的安装脚(E)，安装脚(E)上开设贯通的螺栓孔(H)；

两个疲劳寿命箔(P)沿拉伸臂(A)长度方向分别粘贴在两个应变放大桥的中心处；

所述的柔性封装结构(B)为一体式结构，其内部封装导线，用于封装在载荷正态分布规律下机械结构累积疲劳损伤监测传感器(S)内部的疲劳寿命箔(P)与外部无线节点(C)的连接。

2.根据权利要求1所述的载荷正态分布规律下机械结构累积疲劳损伤监测传感器，其特征在于，所述的拉伸臂(A)选用合金钢材料，安装脚(E)通过螺栓联接方式安装时，每个安装脚(E)上的螺栓孔(H)不得少于两个。

3.一种如权利要求1或2所述的载荷正态分布规律下机械结构累积疲劳损伤监测传感器的设计方法，其特征在于，步骤如下：

(Ⅰ)构建疲劳损伤监测传感器设计模型

根据被测机械零部件(M)表面环境，拉伸臂(A)采用螺栓联接或胶水粘贴的方式将安装脚(E)安装在机械零部件(M)表面，在安装脚(E)处设计上下贯通的螺栓孔(H)，拉伸臂(A)上开设两组对称分布的弧形切口，形成对被测位置应变进行双倍率放大的高倍应变放大桥(J)和低倍应变放大桥(K)；两个疲劳寿命箔(P)沿拉伸臂长度方向分别通过胶水粘贴在两个应变放大桥的中心位置，并通过内部设有导线的柔性封装结构(B)进行封装；无线节点(C)通过胶水粘贴方式安装在封装结构(B)上，并将接线柱与柔性封装结构(B)的导线引出端相连；

(Ⅱ)建立应变双倍率放大设计模型

疲劳损伤监测传感器(S)采用应力集中的方法对被测机械零部件(M)表面的应变进行双倍率放大，拉伸臂(A)边缘的安装脚(E)承受机械零部件(M)表面应力，通过拉伸臂(A)传递到应力集中的高倍应变放大桥(J)和低倍应变放大桥(K)上，通过应力集中原理实现被测机械零部件(M)表面应变的实时放大，其放大的应变为拉伸臂(A)覆盖范围内被测机械零部件(M)表面沿拉伸臂(A)长度方向的平均应变，其具体倍率设计公式如下：

其中：m—疲劳损伤监测传感器S高倍应变放大倍率；

n—疲劳损伤监测传感器S低倍应变放大倍率；

L—两个安装脚E的距离；

Y—大弧形切口直径；

y—小弧形切口直径；

T—弧形切口圆心与拉伸臂A中心线的距离；

α—拉伸臂变形均匀性影响系数，取值范围为1.005～1.215，随着螺栓孔H数目增多而减小。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述的安装脚(E)之间的距离不超过150mm，大小弧形切口的圆心距l大于两倍大弧形切口直径。

5.一种如权利要求1或2所述的载荷正态分布规律下机械结构累积疲劳损伤监测传感器的监测方法，其特征在于，步骤如下：

根据双疲劳寿命箔工作时随循环应力产生的电阻累积量，采用迭代法计算被测机械结构累积疲劳损伤，其累积疲劳损伤计算公式如下：

|N_m-N_n|≤10 (3)

其中：—高倍应变放大桥上疲劳寿命箔P产生的电阻累积变化率；

—低倍应变放大桥上疲劳寿命箔P产生的电阻累积变化率；

ε_m—被测结构表面使高倍应变放大桥上疲劳寿命箔P正常工作的最低应变值；

ε_n—被测结构表面使低倍应变放大桥上疲劳寿命箔P正常工作的最低应变值；

K—疲劳寿命箔特性曲线拟合因子，取值为5.3×10^-6；

m—高倍应变放大桥的应变放大倍率；

n—低倍应变放大桥的应变放大倍率；

ε_max—一段监测时间被测机械结构表面最大应变值；

p—迭代求解系数，根据计算机运算能力，取18～30，增大可提高计算精度；

i—迭代数，取值0～p；

ε_O—疲劳寿命箔工作门槛值，根据加工工艺确定，取值为1068；

h—疲劳寿命箔特性曲线拟合指数，取值为0.16+3.2×10^-4a-4.8×10^-8a²，h在公式(1)与公式(2)中取值时，a为的公式中积分上限与积分下限的平均值；

N_m—根据高倍应变放大桥上疲劳寿命箔P累积电阻变化率求解所得结构表面应变总循环周次；

N_n—根据低倍应变放大桥上疲劳寿命箔P累积电阻变化率求解所得结构表面应变总循环周次；

ε_rm—根据高倍应变放大桥上疲劳寿命箔P累积电阻变化率求解所得结构表面等效应变；

ε_rn—根据低倍应变放大桥上疲劳寿命箔P累积电阻变化率求解所得结构表面等效应变；

N_rm—被测机械结构的S-N曲线上ε_rm对应的结构极限寿命；

N_rn—被测机械结构的S-N曲线上ε_rn对应的结构极限寿命；

D—被测机械结构累积疲劳损伤；

β—被测结构疲劳性能退化因子，取值为1.005～1.027，随被测结构服役时间的增长而增大；

假定分布参量μ、σ，采用迭代法，根据双疲劳寿命箔工作时的电阻变化率利用公式(1)和公式(2)分别求解被测结构表面应变总循环周次N_m、N_n，直至N_m、N_n满足判定公式(3)，所得N_m、N_n即为被测结构表面应变的真实循环周次；通过公式(4)和公式(5)求得被测结构表面等效应变ε_rm和ε_rn，并结合结构的S-N曲线得到应变为ε_rm和ε_rn对应的极限疲劳寿命N_rm和N_rn；通过公式(6)求解所得D即为被测机械结构累积疲劳损伤。