多源激励-光纤光栅分布传感的机械裂纹定量检测方法
发布时间：2021-03-29 03:33
裂纹是机械结构中最常见、危害最大的一种损伤,对机械结构中的裂纹进行准确有效的定量检测是保证机械装备正常运转、避免重大安全事故发生的重要保障。非线性超声技术中的振动声调制技术（采用低频振动和高频超声两种激励源,简称为多源激励）,大大提高了对裂纹检测的灵敏度,解决了传统的超声方法检测裂纹时受超声波长限制、对微裂纹和闭口裂纹难以识别等不足。目前非线性超声技术的研究尚未成熟,多数研究局限于损伤的定性分析,定量检测研究还在起步阶段。利用裂纹调制的非线性特征研究机械裂纹的检测方法,对提升机械裂纹检测能力、评估机械结构工作性能有着非常重大的意义。布拉格光纤光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）具有高灵敏性、强适应性、易于分布、抗电磁干扰等优势,在机械装备健康监测方面表现出强大的应用发展潜力。本文以铝质板材为对象,结合振动声调制技术和光纤光栅分布传感技术,提出多源激励-光纤光栅分布传感的机械裂纹定量检测方法,旨在确定裂纹的位置和范围。围绕FBG对多源激励的传感特性和裂纹对多源激励信号的调制机理两大基础问题展开研究,揭示FBG对应变的传感方向特性和裂纹调制产生的非线性现象,重点提出机械裂...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
振动超声同时作高频超声信号f2裂纹
27()02sinh()12cosh()LfmxdxkLLkLkLεαε==（2-28）根据式（2-26）和式（2-28）可知，粘贴型FBG所感知的应变与基底应变之间成正比，其应变传递率与胶粘接层长度和宽度有关。一旦确定了胶粘接层的长度和宽度以后，其应变传递效率即为常数，因此，可认为FBG感知的应变与对应的基底应变成正比。对碳钢而言，泊松比约为0.3。式（2-24）中在[0°，90°]时为的单调递减函数，假设粘胶层长度和宽度都一致，则式（2-26）中也成比例单调递减。因此，当=0°时FBG受到的轴向拉应变最大；随着的增加，越来越小，当73°时，衰减到0；当继续增大，递减变为负值，此时表现为压应变；当=90°时，FBG受到的轴向应变绝对值应为=0°时的0.3倍。因此，受不同的值影响，FBG受到的轴向应变会发生变化，从而导致FBG的中心波长漂移量也随之发生变化。利用Comsol仿真软件进行分析[115-117]。构建一碳钢等强度悬臂梁，长度L=60mm，最大宽度b=24mm，厚度h=1mm。末端加载黄铜圆柱形质量块，质量块直径8mm，高度4mm。在悬臂梁上表面粘贴FBG，光纤的有效长度为6mm，直径125μm，粘胶形状设为长方体，长度12mm，宽度0.4mm，厚度0.2mm，光纤的有效部分全部埋入粘胶之中并处于粘胶中心位置。其模型如图2-7所示。模型中的各参数如表2-1所示。图2-7仿真模型将θ设为一可变参数“theta”，单位：度。在“Study”中设置“ParametricSweep”，将“theta”变化范围设置为[0，90]，步长为10。光纤绕其几何中心点旋转。采用固体力学模块，在质量块的上表面施加“EdgeLoad”。在FBG几何中心点放置探针，得到不同力作用于质量块时该探针点的应变稳态值，如图2-8所示。对
28应十条曲线。表2-1仿真材料参数对象碳钢光纤胶质量块密度(kg/m3)7850245711008960泊松比0.30.170.350.35弹性模量E(GPa)20574.523.3110从如2-8中可以看到，当相同的力以不同θ作用于FBG时，探测点得到的应变值均不同。当θ=0°时应变值最大，随着θ的增大，应变值逐渐减小，当θ=60°时，基本接近于零，随着θ的继续增大，应变值又逐渐增大，但是与θ<60°时的应变方向相反。仿真结果与理论分析较为吻合，FBG所受应变均随着角度θ的增大而单调递减，只是FBG所受应变为0时对应的角度θ有所偏差。这是由于理论计算只考虑了FBG轴向应变的作用，因此理论计算结果与仿真结果存在一定偏差。图2-8不同角度力作用下探测点应变仿真值
【参考文献】：
期刊论文
[1]疲劳裂纹闭合的非线性超声在线测量[J]. 贾俊,陶利民,胡海峰,胡永攀,吕伟. 国防科技大学学报. 2018(05)
[2]超声检测中金属裂纹多特征提取研究[J]. 樊萍,刘新宝. 西北大学学报(自然科学版). 2018(04)
[3]金属结构疲劳裂纹超声红外无损检测研究现状[J]. 向明,董丽虹,王海斗,郭伟. 激光与红外. 2018(06)
[4]温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器[J]. 张开宇,闫光,孟凡勇,祝连庆. 光学精密工程. 2018(06)
[5]基于非线性弹簧模型的振动声调制机理研究[J]. 刘学君,杨晓华,马广婷,张玎. 振动与冲击. 2018(10)
[6]表面粘贴式光纤光栅传感器的应变传递机理分析与实验研究[J]. 苏晨辉,张雷,隋青美,张法业,杨绪昌,姜明顺. 传感技术学报. 2018(04)
[7]金属板件中微裂纹的非线性超声表征方法研究[J]. 阎红娟,刘峰斌,潘勤学. 现代制造工程. 2018(04)
[8]基于EEMD-TEO熵的高速列车轴承故障诊断方法[J]. 靳行,林建辉,伍川辉,邓韬,黄晨光. 西南交通大学学报. 2018(02)
[9]转向架安全吊装结构的断裂原因及改进对策[J]. 张相宁,李建锋,刘东亮,贾尚帅,李明高,孙晖东,郭涛,高峰. 中国铁道科学. 2018(02)
[10]基于可调谐激光器的光纤光栅波长解调系统误差分析与补偿[J]. 楚奇梁,刘琨,江俊峰,张学智,郑文杰,闫金玲,臧传军,谢仁伟,刘铁根. 光电子·激光. 2018(01)
博士论文
[1]基于等截面矩形悬臂梁光纤光柵传感器性能分析与研究[D]. 杨爽.中国科学技术大学 2018
[2]机械板结构损伤的多源激励—光纤光栅传感的复合检测方法研究[D]. 蔡丽.武汉理工大学 2016
[3]机械振动的光纤光栅传感原理与关键技术的研究[D]. 李天梁.武汉理工大学 2016
[4]超声激励—光纤光栅传感检测技术的相关理论与应用研究[D]. 孟丽君.武汉理工大学 2013
[5]局部均值分解方法及其在旋转机械故障诊断中的应用研究[D]. 张亢.湖南大学 2012
[6]板状金属结构健康监测的非线性超声理论与关键技术研究[D]. 胡海峰.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]基于振动特性的转轴裂纹识别研究[D]. 李中志.西南交通大学 2017
[2]金属微裂纹的非线性超声检测系统研究[D]. 黄孟洋.电子科技大学 2017
[3]基于非线性超声的金属疲劳损伤检测及定位研究[D]. 王会芳.天津大学 2017
[4]多源激励—光纤光栅传感技术及其机械损伤检测应用[D]. 彭蓓.武汉理工大学 2014
[5]Lamb波在板中缺陷检测的有限元模拟和实验研究[D]. 董彦磊.电子科技大学 2013
[6]基于Lamb波的薄板钢结构损伤识别研究[D]. 陈强.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3106819
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：147 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
振动超声同时作高频超声信号f2裂纹
27()02sinh()12cosh()LfmxdxkLLkLkLεαε==（2-28）根据式（2-26）和式（2-28）可知，粘贴型FBG所感知的应变与基底应变之间成正比，其应变传递率与胶粘接层长度和宽度有关。一旦确定了胶粘接层的长度和宽度以后，其应变传递效率即为常数，因此，可认为FBG感知的应变与对应的基底应变成正比。对碳钢而言，泊松比约为0.3。式（2-24）中在[0°，90°]时为的单调递减函数，假设粘胶层长度和宽度都一致，则式（2-26）中也成比例单调递减。因此，当=0°时FBG受到的轴向拉应变最大；随着的增加，越来越小，当73°时，衰减到0；当继续增大，递减变为负值，此时表现为压应变；当=90°时，FBG受到的轴向应变绝对值应为=0°时的0.3倍。因此，受不同的值影响，FBG受到的轴向应变会发生变化，从而导致FBG的中心波长漂移量也随之发生变化。利用Comsol仿真软件进行分析[115-117]。构建一碳钢等强度悬臂梁，长度L=60mm，最大宽度b=24mm，厚度h=1mm。末端加载黄铜圆柱形质量块，质量块直径8mm，高度4mm。在悬臂梁上表面粘贴FBG，光纤的有效长度为6mm，直径125μm，粘胶形状设为长方体，长度12mm，宽度0.4mm，厚度0.2mm，光纤的有效部分全部埋入粘胶之中并处于粘胶中心位置。其模型如图2-7所示。模型中的各参数如表2-1所示。图2-7仿真模型将θ设为一可变参数“theta”，单位：度。在“Study”中设置“ParametricSweep”，将“theta”变化范围设置为[0，90]，步长为10。光纤绕其几何中心点旋转。采用固体力学模块，在质量块的上表面施加“EdgeLoad”。在FBG几何中心点放置探针，得到不同力作用于质量块时该探针点的应变稳态值，如图2-8所示。对
28应十条曲线。表2-1仿真材料参数对象碳钢光纤胶质量块密度(kg/m3)7850245711008960泊松比0.30.170.350.35弹性模量E(GPa)20574.523.3110从如2-8中可以看到，当相同的力以不同θ作用于FBG时，探测点得到的应变值均不同。当θ=0°时应变值最大，随着θ的增大，应变值逐渐减小，当θ=60°时，基本接近于零，随着θ的继续增大，应变值又逐渐增大，但是与θ<60°时的应变方向相反。仿真结果与理论分析较为吻合，FBG所受应变均随着角度θ的增大而单调递减，只是FBG所受应变为0时对应的角度θ有所偏差。这是由于理论计算只考虑了FBG轴向应变的作用，因此理论计算结果与仿真结果存在一定偏差。图2-8不同角度力作用下探测点应变仿真值
【参考文献】：
期刊论文
[1]疲劳裂纹闭合的非线性超声在线测量[J]. 贾俊,陶利民,胡海峰,胡永攀,吕伟. 国防科技大学学报. 2018(05)
[2]超声检测中金属裂纹多特征提取研究[J]. 樊萍,刘新宝. 西北大学学报(自然科学版). 2018(04)
[3]金属结构疲劳裂纹超声红外无损检测研究现状[J]. 向明,董丽虹,王海斗,郭伟. 激光与红外. 2018(06)
[4]温度解耦增敏式光纤光栅应变传感器[J]. 张开宇,闫光,孟凡勇,祝连庆. 光学精密工程. 2018(06)
[5]基于非线性弹簧模型的振动声调制机理研究[J]. 刘学君,杨晓华,马广婷,张玎. 振动与冲击. 2018(10)
[6]表面粘贴式光纤光栅传感器的应变传递机理分析与实验研究[J]. 苏晨辉,张雷,隋青美,张法业,杨绪昌,姜明顺. 传感技术学报. 2018(04)
[7]金属板件中微裂纹的非线性超声表征方法研究[J]. 阎红娟,刘峰斌,潘勤学. 现代制造工程. 2018(04)
[8]基于EEMD-TEO熵的高速列车轴承故障诊断方法[J]. 靳行,林建辉,伍川辉,邓韬,黄晨光. 西南交通大学学报. 2018(02)
[9]转向架安全吊装结构的断裂原因及改进对策[J]. 张相宁,李建锋,刘东亮,贾尚帅,李明高,孙晖东,郭涛,高峰. 中国铁道科学. 2018(02)
[10]基于可调谐激光器的光纤光栅波长解调系统误差分析与补偿[J]. 楚奇梁,刘琨,江俊峰,张学智,郑文杰,闫金玲,臧传军,谢仁伟,刘铁根. 光电子·激光. 2018(01)
博士论文
[1]基于等截面矩形悬臂梁光纤光柵传感器性能分析与研究[D]. 杨爽.中国科学技术大学 2018
[2]机械板结构损伤的多源激励—光纤光栅传感的复合检测方法研究[D]. 蔡丽.武汉理工大学 2016
[3]机械振动的光纤光栅传感原理与关键技术的研究[D]. 李天梁.武汉理工大学 2016
[4]超声激励—光纤光栅传感检测技术的相关理论与应用研究[D]. 孟丽君.武汉理工大学 2013
[5]局部均值分解方法及其在旋转机械故障诊断中的应用研究[D]. 张亢.湖南大学 2012
[6]板状金属结构健康监测的非线性超声理论与关键技术研究[D]. 胡海峰.国防科学技术大学 2011
硕士论文
[1]基于振动特性的转轴裂纹识别研究[D]. 李中志.西南交通大学 2017
[2]金属微裂纹的非线性超声检测系统研究[D]. 黄孟洋.电子科技大学 2017
[3]基于非线性超声的金属疲劳损伤检测及定位研究[D]. 王会芳.天津大学 2017
[4]多源激励—光纤光栅传感技术及其机械损伤检测应用[D]. 彭蓓.武汉理工大学 2014
[5]Lamb波在板中缺陷检测的有限元模拟和实验研究[D]. 董彦磊.电子科技大学 2013
[6]基于Lamb波的薄板钢结构损伤识别研究[D]. 陈强.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3106819
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