一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法,步骤如下：1：选择铝合金板并设计试样件；2：对试样件进行结构力学分析；3：在铝合金薄板上布贴光纤光栅传感器；4：对光纤光栅反射光谱图像进行轴向应力二次方、三次方的仿真；5：进行疲劳裂纹扩展试验；6：对传感器采集的信号进行处理；7：重复步骤1‑5，验证步骤6中建立的方法；8：判别裂纹是否扩展到该传感器位置，实现实时监测裂纹扩展情况的功能；通过以上步骤，实现了一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法研究。达到了诊断孔边裂纹长度的研究效果，解决了工程应用中关于铝合金板孔边裂纹长度的定位问题。
1.一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法,其特征在于：具体实施步骤如下：
步骤1：选择实验材料2024-T3铝合金板并设计试样件，在试样件中心区域预制中心孔并在孔边预制裂纹；
步骤2：对试样件进行结构力学分析，确定外界加载条件及试样件材料、弹性模量相关参数；根据已确定的试验条件，对试样件利用有限元仿真软件ANSYS软件进行有限元仿真分析，得到裂纹扩展到一定长度下裂纹尖端附件区域的应力分布情况；
步骤3：在2024-T3铝合金板上布贴光纤光栅传感器；
根据铝合金板孔边区域裂纹扩展情况，在与裂纹扩展平行与垂直的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，优化布局光纤光栅传感器的位置(xi,yi)，使布置的光纤光栅传感器更明显的感知裂纹尖端的纵向和横向非均匀应变的变化；
步骤4：对光纤光栅反射光谱图像进行轴向应力二次方、三次方的仿真，并将仿真结果与真实的反射光谱图像进行比较，发现轴向应力三次方的仿真结果与真实的图像更为接近，因此认为光纤光栅主要受到轴向应力三次方的影响；
步骤5：将以上贴有光纤光栅传感器的铝合金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，采集光纤光栅传感器的信号作为初始信号；随着疲劳加载的进行，孔边裂纹开始扩展，此时通过光学显微镜实时记录不同循环周次下的裂纹长度并利用美国微光SM125采集不同裂纹长度饱载下的光谱图像；
步骤6：完成试验后，对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，分析光纤光栅传感器反射光谱在裂纹穿越光纤光栅传感器前中后的变化情况，建立基于两种布贴方式下光纤光栅反射谱变化来监测铝合金板孔边裂纹扩展的方法；
步骤7：重复步骤1-5，并针对不同试样件下光纤光栅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；
步骤8：实际监测过程中，根据不同位置光纤光栅传感器反射光谱变化，判别裂纹是否扩展到该传感器位置，实现实时监测裂纹扩展情况的功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法,其特征在于：在步骤1中所述的“选择实验材料2024-T3铝合金板并设计试样件”，其做法如下：采用的是航空常用材料2024-T3铝合金板作为实验材料；在设计试样件时采用小板验证的方式，设计尺寸为300mm*100mm*2mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法,其特征在于：在步骤2中所述的“对试样件进行结构力学分析”，其做法如下：根据实验的材料的弹性模量，以及两端的预紧力75Mpa，计算出板材两端承受的力大小；并且根据静态载荷加载条件下，板材一侧受到类似均匀的加载力，另一端不受力；此外由于两端加持的作用，导致板材的自由端数目减少，这些分析结果都需要在步骤2有限元分析中使用；
此外，将上述分析的结果导入到ANSYS软件中，并利用工程CAD软件进行3D建模，并将模型导入ANSYS软件中，按照相关步骤进行网格绘制，最终得到裂纹尖端塑性区受力情况。
4.根据权利要求1所述的一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法,其特征在于：在步骤4中所述的“对光纤光栅反射光谱图像进行轴向应力二次方、三次方的仿真”，其做法如下：利用MATLAB软件计算在非均匀应力下的反射光谱，首先确定光纤光栅的原始布拉格波长，有效折射率，平均指数，长度，杨氏模量，泊松比，弹光系数；然后带入公式进行预测，光纤光栅在非均匀应变下的反射光谱响应情况。
5.根据权利要求1所述的一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法,其特征在于：在步骤6中所述的“对传感器采集的信号进行处理”，其做法如下：将电子显微镜直观记录到的裂纹长度的图片根据与光纤光栅传感器之间的距离进行分类，根据微光静态光纤光栅解调仪SM125仪器采集到的光纤光栅传感器的反射谱图像、包含该时刻下光谱信息的txt文件，导入到MATLAB软件中进行处理，建立横轴为波长，纵轴为光纤光栅反射率的图像，并选取中心波长附近的图像进行放大，观察其图像变化规律情况。
一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹
诊断方法
技术领域
[0001] 本发明提供一种基于两种布贴光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹综合诊断方它涉及一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法研究，即对金属、复合材料等结构损伤监测，具体涉及光纤光栅传感器对铝合金薄板疲劳裂纹扩展情况的综合监测，这种方法属于结构健康监控领域。
背景技术
[0002] 航空结构金属材料中铝合金材料的使用十分广泛，目前针对航空结构元件的结构疲劳裂纹萌生与扩展的监测问题，仍没有一种十分成熟的监控方法。一旦结构元件出现裂纹，如果不能进行有效的监控会造成极为严重的后果。结构健康监测技术作为一种通过智能传感器监测结构健康状况的技术与传统的无损检测相比可以实现实时在线监测的功能。此外本发明采用的光纤光栅传感器质量轻、抗环境干扰能力强，被认为是21世纪最具有潜力的传感器之一。本发明通过在带孔金属薄板上布贴光纤光栅传感器来监测铝合金板孔边裂纹扩展情况，随着裂纹的扩展，光纤光栅感知非均匀应变会逐渐的增大，会导致光纤光栅光谱图像出现“啁啾”现象，当增加到一定程度时，将会出现多峰值现象，如次峰峰等，此外光纤光栅反射谱中心波长的位置、半高宽、次峰峰位置等也会发生变化，这些和光纤光栅布贴区域所感知的轴向应变的三次方有关，这也是通过光纤光栅传感器对结构裂纹扩展进行监测的关键。
[0003] 有研究表明，目前针对光纤光栅监测铝合金板孔边裂纹的研究还停留在对光纤光栅传感器感知的应变与裂纹扩展建立的关系上，但这种方法不能从光学机理上解释裂纹产生与发展对光纤光栅本身光谱变化的影响。在布贴方式上，本发明不同于其他的布贴方法，采用轴向布贴与横向布贴相结合的方式。这种布贴方式是在单种布贴方式的基础上进行改进的结果，它可以更加敏感的感知到板子周围的压应力与拉应力的变化。
[0004] 本专利充分考虑到上述光纤光栅传感器监测铝合金板孔边裂纹的问题，提出一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法研究。
发明内容
[0005] 本发明为了解决上述问题，提出了一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法研究。本发明以实验分析为基础，通过理论研究建立光纤光栅(FBG)传感器光谱图像变化与裂纹的有无之间的关系，再结合实验结果验证该诊断方法的正确性，其中监测的裂纹类型多为Ⅰ型裂纹。
[0006] 本发明一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法,其流程图如图1，具体实施步骤如下：
[0007] 步骤1：选择实验材料2024-T3铝合金板并设计试样件，在试样件中心区域预制一定直径的中心孔并在孔边预制一定长度裂纹；
[0008] 步骤2：对试样件进行结构力学分析，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等；根据已确定的试验条件，对试验件利用有限元仿真软件ANSYS软件进行有限元仿真分析，得到裂纹扩展到一定长度下裂纹尖端附件区域的应力分布情况；
[0009] 步骤3：在2024-T3铝合金薄板上布贴光纤光栅传感器；
[0010] 根据铝合金板孔边区域裂纹扩展情况，在与裂纹扩展平行与垂直的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，优化布局光纤光栅传感器的位置(xi,yi)，使布置的光纤光栅传感器可以更明显的感知裂纹尖端的纵向和横向非均匀应变的变化；
[0011] 步骤4：对光纤光栅反射光谱图像进行轴向应力二次方、三次方的仿真，并将仿真结果与真实的反射光谱图像进行比较，发现轴向应力三次方的仿真结果与真实的图像更为接近，因此我们可以认为光纤光栅主要受到轴向应力三次方的影响。
[0012] 步骤5：将以上贴有光纤光栅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，采集光纤光栅传感器的信号作为初始信号；随着疲劳加载的进行，孔边裂纹开始扩展，此时通过光学显微镜实时记录不同循环周次下的裂纹长度并利用美国微光SM125采集不同裂纹长度饱载下的光谱图像；
[0013] 步骤6：完成试验后，对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，分析光纤光栅传感器反射光谱在裂纹穿越光纤光栅传感器前中后的变化情况，建立基于两种布贴方式下光纤光栅反射谱变化来监测铝合金板孔边裂纹扩展的方法；
[0014] 步骤7：重复步骤1-5，并针对不同试样下光纤光栅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；
[0015] 步骤8：实际监测过程中，根据不同位置光纤光栅传感器反射光谱变化，判别裂纹是否扩展到该传感器位置，实现实时监测裂纹扩展情况的功能。
[0016] 其中，在步骤1中所述的“选择实验材料2024-T3铝合金板并设计试样件”，其作法如下：航空金属材料中以铝合金、钛合金为主，但是钛合金自身的价格较高，因此实验室常常采用铝合金材料为实验材料，本发明采用的是航空常用材料2024-T3铝合金件作为实验材料。在设计试验件时我们采用小板验证的方式，这种设计方式比较简单也可以较高程度的模拟真实情况，设计尺寸为300*100*2(mm)。
[0017] 其中，在步骤2中所述的“对试样件进行结构力学分析”，其作法如下：根据实验的材料的弹性模量，以及两端的预紧力75Mpa，可以计算出板材两端承受的力大小。并且根据静态载荷加载条件下，板材一侧受到类似均匀的加载力，另一端不受力。此外由于两端加持的作用，导致板材的自由端数目减少，这些分析结果都需要在步骤2有限元分析中使用。此外，将上述分析的结果导入到ANSYS软件中，并利用工程CAD软件进行3D建模，并将模型导入ANSYS软件中，按照相关步骤进行网格绘制，最终得到裂纹尖端塑性区受力情况。
[0018] 其中，在步骤4中所述的“对光纤光栅反射光谱图像进行轴向应力二次方、三次方的仿真”，其作法如下：利用MATLAB软件计算在非均匀应力下的反射光谱，首先确定光纤光栅的原始布拉格波长，有效折射率，平均指数，长度，杨氏模量，泊松比，弹光系数等。然后带入公式进行理论预测，光纤光栅在非均匀应变下的反射光谱响应情况。
[0019] 其中，在步骤6中所述的“对传感器采集的信号进行处理”，其作法如下：将电子显微镜直观记录到的裂纹长度的图片根据与光纤光栅传感器之间的距离进行分类，根据微光静态光纤光栅解调仪SM125仪器采集到的光纤光栅传感器的反射谱图像、包含该时刻下光谱信息的txt文件，导入到MATLAB软件中进行处理，建立横轴为波长，纵轴为光纤光栅反射率的图像，并选取中心波长附近的图像进行放大，观察其图像变化规律情况。
[0020] 通过以上步骤，实现了一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法研究。达到了诊断孔边裂纹长度的研究效果，解决了工程应用中关于铝合金板孔边裂纹长度的定位问题。
[0021] 本发明一种基于光纤光谱图像分析的孔边裂纹综合诊断方法，其优点在于：
[0022] (1)针对目前大多数轴向布贴光纤光栅传感器监测铝合金板孔边裂纹的方法，采用轴向和横向相结合的方式，这种可以在一定程度上弥补单独轴向布贴和横向布贴的不足。
[0023] (2)区别于常见的根据光纤光栅传感器感知的应变与裂纹扩展建立关系的做法，而是对光谱图像本身特征进行分析，建立光纤光栅反射光谱图像与裂纹扩展之间的关系。这是一种基于光学机理的监测方法，具有一定的物理意义。
附图说明
[0024] 图1为本发明所述方法流程图。
[0025] 图2为本发明提供的总体设计示意图。
[0026] 图3本发明实施例中试验件规格示意图。
[0027] 图4本发明实施例中光纤传感器布置示意图。
[0028] 图5(a)为光纤光栅受轴向应力二次方时的反射谱。
[0029] 图5(b)为光纤光栅受轴向应力二次方时的反射谱。
[0030] 图5(c)为光纤光栅受轴向应力三次方时的反射谱。
[0031] 图5(d)为光纤光栅受轴向应力三次方时的反射谱。
[0032] 图6中(a)为横向布贴的FBG传感器，裂纹穿过传感器前后中心波长的变化曲线。
[0033] 图6中(b)为横向布贴的FBG传感器，裂纹穿过传感器前后中心波长的变化曲线。
[0034] 图6(c)为纵向布贴的FBG传感器，裂纹穿过传感器前后中心波长的变化曲线。
[0035] 图6(d)为纵向布贴的FBG传感器，裂纹穿过传感器前后中心波长的变化曲线。
具体实施方式
[0036] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明提供了一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，该方法的总体过程示意图如图2所示。
[0037] 本发明一种基于两种布贴方式下光纤光栅光谱图像分析的孔边裂纹诊断方法，如图1所示，通过如下步骤具体实现：
[0038] 第一步，选择试样件铝合金薄板如图3所示，其型号规格:铝合金(型号2024-T3)，300*100*2(mm)。为了较快地出现疲劳裂纹扩展现象，在铝合金薄板的中心开有一直径Φ
10mm的圆孔，同时在孔的右侧平行于短轴的方向预制3mm长的小裂纹。
[0039] 第二步，对试样件监测部位进行结构力学分析，通过有限元仿真确定裂纹扩展到具体长度下的裂纹尖端区域的应力分布情况。确定试验最大加载应力为75MPa，应力比为0.1，加载频率为3Hz。根据已确定的试验条件，对试样件利用ANSYS软件进行有限元仿真分析，得到裂纹扩展到不同长度下裂纹尖端附件区域的应力分布情况。
[0040] 第三步，在铝合金2024-T3薄板上布贴光纤光栅传感器。
[0041] 以缺口顶端为原点，沿裂纹扩展方向为x轴，与裂纹扩展方向垂直的方向为y轴。根据第二步有限元仿真的结果可以看出，在裂纹尖端塑性区内感知的非均匀应变比较大，在裂纹尖端x轴方向4mm位置处，y轴方向1-2mm处感知的非均匀应变比较大。因此，我们在监测裂纹时，在距离预制裂纹x轴方向4mm处采取横向布贴光纤光栅方式，其坐标为(4,-2)，在纵轴方向上，我们在监测裂纹时，在距离预制裂纹x轴方向2mm处开始采取轴向布贴光纤光栅方式，其坐标为(2,0),(4,0)，(6,0)，(8,0)，如图4所示。
[0042] 第四步，对光纤光栅受到轴向应力二次方、三次方时的反射光谱图像进行仿真，并将仿真结果与真实的反射光谱图像进行比较，发现当光纤光栅受到轴向应力三次方时得到的反射光谱图像仿真结果与真实的反射光谱图像更为接近，因此我们可以认为光纤光栅主要受到轴向应力三次方的影响，如图5(a)、图5(b)图5(c)及图5(d)所示。
[0043] 第五步，将布置有FBG传感器的铝合金薄板装载到疲劳试验机上，在进行试验前，需要对FBG传感器进行调试，包括测试传感器信号的采集是否正常，测试仪器是否正常工作等。加载条件如第一步所述，每当裂纹扩展1mm，就记录裂纹长度a，加载循环数并采集FBG传感器的反射光谱。
[0044] 第六步，完成试验后，对传感器采集的信号进行处理。主要分析FBG传感器采集到的反射光谱的信号数据，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，建立基于反射光谱中次峰峰位置监测铝合金板孔边裂纹扩展的方法。当裂纹扩展到FBG传感器前中后时，FBG传感器感知不均匀应变，随着不均匀应变的增加，中心波长向长波长方向漂移、半高宽变宽、光纤光栅光谱图像出现“啁啾”现象、光纤光栅传感器反射光谱中出现次峰峰现象，通过对比研究横向与纵向光纤光栅反射谱次峰位置与数量的变化，随着裂纹的扩展，横向布贴光纤光栅传感器反射光谱中次峰峰数量增多，且出现在主峰的左侧，在穿越FBG过程中，次峰出现在主峰的右侧，当穿过FBG后，次峰出现又恢复在主峰的左侧。对于轴向布贴的光纤光栅而言，反射谱次峰出现位置在裂纹穿过FBG前后均与横向布贴的光纤光栅相反。如图6(a)、图6(b)图6(c)及图6(d)所示是裂纹长度为4mm时穿越位置为(4,
0)的FBG传感器前后次峰峰位置的变化情况。
[0045] 第七步，重复步骤1-5，并针对不同试样下光纤光栅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
[0046] 第八步，在实际的监测过程中，根据不同布贴位置的FBG传感器反射光谱中次峰峰的位置可以判断裂纹是否扩展到该光栅区域，实现了裂纹长度实时监测的功能。
