[发明专利]基于FBG传感器的单边缺口铝合金试件疲劳裂纹扩展监测方法

摘要

本发明公开了一种基于FBG传感器的单边缺口铝合金试件疲劳裂纹扩展监测方法，采用分布式光纤布拉格光栅传感器网络感知结构中疲劳裂纹扩展，提取FBG传感器中心波长偏移量作为特征参量，利用不同位置的FBG传感器中心波长偏移量随裂纹扩展的变化规律，建立疲劳裂纹长度预测关系模型，实现疲劳裂纹扩展长度预测。本发明中的疲劳裂纹扩展监测方法通过计算FBG传感器中心波长偏移量来实现对裂纹扩展位置的预测，具有快速、直观，且无需大量先验知识等特点。

主权项

1.基于FBG传感器的单边缺口铝合金试件疲劳裂纹扩展监测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)，对单边缺口铝合金试件进行有限元建模：根据预设的弹性模量、泊松比、尺寸、圆孔直径、单边缺口长度、预制裂纹长度构建单边缺口铝合金试样件有限元模型，其中，单边缺口方向和试件边沿垂直，裂纹方向和单边缺口方向相同；步骤2)，定义试件两圆孔中心连线与裂纹扩展方向的交点为裂纹起点，将FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器沿裂纹方向等距离依次布置，且传感器与裂纹扩展路径垂直间距为预设的距离阈值，FBG1、FBG2、FBG3三个传感器轴向和裂纹方向垂直；步骤3)，采集疲劳试验前的FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器反射中心波长作为原始基准信号，记作λ_Ri，其中i＝1,2,3，i表示传感器编号；再将粘贴好的FBG传感器通过跳线串联接入光纤光栅解调仪，并夹持试件的两个圆孔、利用恒定载荷拉伸试件，获取不同裂纹长度对应FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器中心波长数据，记作{W_i,j}，其中i＝1,2,3，表示传感器编号，j表示裂纹长度；步骤4)，根据{W_i,j}与FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器原始中心波长基准信号λ_Ri，计算出FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器中心波长偏移量，得到不同裂纹长度对应的各传感器中心波长偏移量响应特征集合{S_i,j}，其中i＝1,2,3，表示传感器编号，j表示裂纹长度；步骤5)，根据{S_i,j}、以中心波长偏移量为因变量y、以裂纹长度为自变量x在二维直角坐标系中一一描点，利用指数函数表达式拟合FBG1、FBG2中心波长偏移量与裂纹长度的关系，计算出拟合表达式参数a₁、a₂、b₁、b₂、c₁、c₂、c₃；再利用多项式表达式y＝a₃x⁶+b₃x⁵+c₄x⁴+d₁x³+d₂x²+d₃x+d₄拟合FBG3中心波长偏移量与裂纹长度关系，计算出拟合表达式参数a₃、b₃、c₄、d₁、d₂、d₃、d₄，由此建立三个FBG传感器对应的疲劳裂纹扩展预测函数关系模型；步骤6)，根据FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器对未知裂纹响应的中心波长及步骤3)中FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器原始中心波长基准信号λ_Ri，计算未知裂纹长度对应的FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器中心波长偏移量，分别记作△λ_FBG1、△λ_FBG2、△_λFBG3；步骤7)，根据步骤5)中裂纹长度预测关系模型对裂纹扩展区域进行划分，比较FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器的中心波长偏移量大小，确定未知裂纹扩展所在区域，具体包括：步骤7.1)，沿二维直角坐标系中x增大方向，依次将FBG1拟合曲线与FBG2拟合曲线的交点记为(x_a,y_a)，FBG1拟合曲线与FBG3拟合曲线的交点记为(x_b,y_b)，FBG2拟合曲线与FBG3拟合曲线的交点记为(x_c,y_c)，FBG2拟合曲线与FBG1拟合曲线的交点记为(x_d,y_d)，对裂纹扩展区域进行划分，区域划分原则为：x≤x_a的区域，记为区域I；x_a<x<x_b的区域，记为区域II；x_b≤x≤x_c的区域，记为区域III；x_c<x<x_d的区域，记为区域IV；x≥x_d的区域，记为区域V；步骤7.2)，根据步骤6)中3个FBG传感器中心波长偏移量△λ_FBG1、△λ_FBG2、△λ_FBG3的数值大小关系与步骤五中的传感器拟合函数关系模型，确定裂纹扩展所在区域，具体确定原则为：若△λ_FBG1>△λ_FBG2>△λ_FBG3，确定裂纹扩展在区域I；若△λ_FBG2>△λ_FBG1>△λ_FBG3，确定裂纹扩展在区域II；若△λ_FBG2>△λ_FBG3>△λ_FBG1，确定裂纹扩展在区域III；若△λ_FBG3>△λ_FBG2>△λ_FBG1，确定裂纹扩展在区域IV；若△λ_FBG3>△λ_FBG1>△λ_FBG2，确定裂纹扩展在区域V；步骤8)，根据步骤6)计算得到的3个FBG传感器中心波长偏移量△λ_FBG1、△λ_FBG2、△λ_FBG3，代入步骤5)中所得三条FBG中心波长偏移量与裂纹长度拟合函数关系曲线，确定出未知裂纹的三个初步裂纹长度值，再以FBG传感器中心波长偏移量绝对值占比作为权值，计算得到最终未知裂纹扩展长度：步骤8.1)，在步骤7)所确定的未知裂纹扩展所在区域中，将步骤6计算的三个FBG传感器中心波长偏移量△λ_FBG1、△λ_FBG2、△λ_FBG3，代入步骤5)所得的三个函数拟合曲线关系式中，计算得到三个初步的裂纹长度值；步骤8.1.1)，当所确定的区间段中，存在某条拟合函数曲线为非单调、即同一中心波长偏移量对应两个不同裂纹长度，记该非单调曲线上具有相同中心波长偏移量的坐标分别为(x_q,y_q)、(x_q’,y_q)，其中q＝1,2,3，q表示传感器编号，该曲线峰值坐标为(x_pq,y_pq)，有x_q<x_pq<x_q’；定义该区间内另外两个FBG传感器对应的拟合函数曲线上的裂纹长度与中心波长偏移量关系分别为(x_i,y_i)、(x_j,y_j)，i、j＝1,2,3，i、j表示传感器编号，则：若x_i、x_j≤x_pq，以x_q、x_i、x_j作为初步裂纹长度计算值；若x_i、x_j>x_pq，以x_q’、x_i、x_j作为初步裂纹长度计算值；若x_i≤x_pq≤x_j，比较|x_i‑x_q|与|x_j‑x_q’|大小，当|x_i‑x_q|较小，则以x_q与x_i、x_j作为初步裂纹长度计算值，当|x_j‑x_q’|较小，则以x_q’与x_i、x_j作为初步裂纹长度计算值；若x_j≤x_pq≤x_i，则比较|x_j‑x_q|与|x_i‑x_q’|大小，当|x_j‑x_q|较小，则以x_q与x_i、x_j作为初步裂纹长度计算值，当|x_i‑x_q’|较小，则以x_q’与x_i、x_j作为初步裂纹长度计算值；步骤8.1.2)，当所确定的区间段中均为单调曲线，记FBG1、FBG2和FBG3传感器对应的拟合函数曲线上的裂纹长度与中心波长偏移量关系分别为(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)，则直接以x₁、x₂、x₃作为初步裂纹长度计算值；步骤8.2)，将FBG1、FBG2、FBG3三个应变传感器对未知裂纹响应的中心波长偏移量绝对值占比作为权重因子，即其中△λ_FBG1、△λ_FBG2、△λ_FBG3分别表示由步骤6计算所得的与未知裂纹长度相关联的FBG1、FBG2、FBG3传感器中心波长偏移量；对步骤8.1)中由各FBG拟合曲线所计算出的初步裂纹长度计算值进行加权，确定出最终未知裂纹长度值X：或