（机械工程专业论文）基于应变场和光纤光栅传感的机械结构裂纹扩展识别研究.pdf

摘要 随着现代工业设备大型化和规模化的发展，机械结构的承载越来越大，工 作时间越来越长，机械结构的断裂失效已经成为设备结构安全性、可靠性、使 用寿命的最大威胁。据统计，在各种机械结构的断裂事故中，有8 0 的事故缘 于疲劳断裂，故疲劳断裂具有很大的危险性。监测机械结构疲劳裂纹的产生和 扩展对结构安全性至关重要。针对这一问题，本文提出了一种有效的机械结构 裂纹损伤扩展识别方法，以对裂纹的产生和扩展进行识别和监测，这对基于裂 纹损伤的机械结构的健康监测和安全分析具有一定的参考价值。 本文首先综述和分析国内外的裂纹损伤识别技术的研究现状，着重介绍基 于应变类参数的裂纹识别技术和光纤光栅传感技术在裂纹识别和监测中的应 用，分析各种技术的优缺点。接着研究基于应变参数的裂纹识别理论，通过三 种方法研究应变模态的推导，应变模态测试方法和模态参数识别方法。介绍四 种基于应变参数的损伤识别方法，阐明其公式、原理和特点，并对四种方法做 对比分析，得出应变频响函数损伤识别参数具有易测量、精度高的优势。应用 有限元软件a n s y s 建立带穿透性三维裂纹板的有限元模型，对结构应变场进行 有限元分析，计算裂纹尖端应力强度因子；对四角固支的含裂纹薄板在正弦激 励下的应变场进行有限元分析，并对裂纹扩展和应变场分布的关系进行了分析； 提出基于应变频响函数变化幅值的裂纹损伤扩展识别指标。最后研究了光纤光 栅应变传感应变原理，构建基于光纤光栅传感的四角固支薄板裂纹扩展识别实 验台，进行了实验和理论分析。实验表明：本文方法可以有效的对裂纹损伤发 生及扩展进行识别和监测。 本文创新点是提出了基于应变频响函数变化幅值的裂纹损伤扩展识别指 标。其基本原理是结构发生裂纹损伤后，承载能力下降，裂纹尖端附近产生应 力集中，应变发生突变，结构损伤前后的应变频响函数发生变化。并且随着裂 纹的扩展，变幅将增大，而远离裂纹的区域的应变频响函数的变幅则不明显。 利用此指标对裂纹尖端定位，即可对裂纹损伤发生及扩展进行识别和监测。 本文的研究成果是一种有效的机械结构裂纹损伤扩展识别的新方法，对基 于裂纹损伤的机械结构的健康监测和安全分析具有一定的参考价值。 关键词：裂纹损伤，光纤布拉格光栅传感，应变模态，应变频响函数 a b s t r a c t w i mt h e d e v e l o p m e n t o fm o d e r ni n d u s t r i a l e q u i p m e n tl a r g e s c a l e ，t h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r eb e a r i n gi sm o r ea n dm o r eh e a v i e r ，t h ew o r k i n gt i m ei sm o r ea n d m o r el o n g e r f r a c t u r ef a i l u r eo f m e c h a n i c a ls t r u c t u r eh a sb e c o m et h eb i g g e s tt h r e a to f e q u i p m e n t s t r u c t u r eo fs a f e t y ，r e l i a b i l i t ya n ds e r v i c el i f e a c c o r d i n gt os t a t i s t i c s ，i na l l k i n d so fm e c h a n i c a ls 仃u c 帆o ft h ef r a c t u r ea c c i d e n t ，8 0 o ft h e ma r ea s c r i b e dt o f a t i g u ef r a c t u r e ，t h ef a t i g u ef r a c t u r eo fg r e a td a n g e r t 2 j m o n i t o r i n gt h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ef a t i g u ec r a c ka n dt h ef o r m a t i o no ft h ee x t e n s i o no fs t r u c t u r es e c u r i t yi sv e r y i m p o r t a n t t os o l v et h i sp r o b l e m ak i n do fe f f e c t i v e m e c h a n i c a ls t r u c t u 陀c r a c k p r o p a g a t i o ni d e n t i f i c a t i o n m e t h o di sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r , w h i c hi su s e dt o i d e n t i f ya n dm o n i t o rt h ef a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n i th a sr e f e r e n c ev a l u e o nc r a c k d a m a g em e c h a n i c a ls t r u c t u r eh e a l t hm o n i t o r i n ga n ds a f e t ya n a l y s i s + t h i sp a p e rf i r s tr e v i e w s ，a n da n a l y s i so fc r a c ki d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya th o m e a n da b r o a d ，a n dt h er e s e a r c hs t a t u s ，e m p h a s i so nt h ei n t r o d u c t i o no ft h ep a r a m e t e r s b a s e do ns t r a i nc r a c ki d e n t i f i c a t i d nt e c h n o l o g ya n df b gs e n s i n gt e c h n o l o g yi nc r a c k i d e n t i f i c a t i o na n dm o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n ，t h ea n a l y s i so fv a r i o u st e c h n i c a la d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e s t h e ni ti ss t u d i e do nt h ec r a c ki d e n t i f i c a t i o nt h e o r yb a s e do ns t r a i n p a r a m e t e r s ，d e d u c e ss t r a i nm o d et h r o u g ht h r e em e t h o d s ，m o d a lt e s tm e t h o d r e s e a r c h s t r a i na n dm o d a lp a r a m e t e ri d e n t i f i c a t i o nm e t h o d t h e ni ti n t r o d u c e sf o u rk i n d so f p a r a m e t e r so f t h ed a m a g ei d e n t i f i c a t i o nb a s e do ns t r a i nm e t h o d ，e x p o u n d sf o r m u l a s ， p r i n c i p l ea n df e a t u r e s b ya n a l y s i n gf o u rd a m a g ed e t e c t i n gm e t h o d sb a s e do ns t r a i n p a r a m e t e r s ，f i g u r e so u tt h a ts t r a i nf r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o np a r a m e t e r si st h em o s t a d v a n t a g ei nc r a c kd a m a g ei d e n t i f i c a t i o n t h ea u t h o re s t a b l i s h e sf i n i t ee l e m e n tm o d e l o ft l l ep e n e t r a t e dc r a c ks h e e tb yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h es t r e s s i n t e n s i t yf a c t o ra tt h ec r a c kt i pi sc a l c u l a t e d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ns t r a i nf i e l do f af o u rc o r n e r sf i x e ds h e e tw i t hc r a c ki sc a r r i e do u t t h ed i s t r i b u t i o no fs t r a i nf i e l d a r o u n da n dc h a n g ei nc r a c kp r o p a g a t i o np r o c e s si sa n a l y s e d t h ec r a c kd a m a g e i d e n t i f i c a t i o ni n d e xb a s e do nc h a n g ea m p l i t u d eo fs t r a i nf r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n p a r a m e t e r s ( s f r f ) i sp r e s e n t e d f i n a l l y , t h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs t r a i ns e n s o rs t r a i n l i p r i n c i p l ei ss t u d i e d t h es h e e tc r a c kp r o p a g a t i o ni d e n t i f i c a t i o nt e s tb e n c hb a s e do n o p t l c a if i b e rg r a t i n gs e n s o r si s e s t a b l i s h e d e x p e r i m e n t sa n da n a l y s i sa r ec a r r i e do u t e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：t h et e c h n i q u ei nt h i sp a p e rc a ni d e n t i f ya n dm o n i t o r c r a c k d a m a g eo c c u r sa n dp r o p a g a t i o ne f f e c t i v e l y 1n el n n o v a t i v ep o i n to ft h i s p a p e ri sp r e s e n t i n gc r a c kd a m a g ei d e n t i f i c a t i o n i n d e xb a s e do nc h a n g ea m p l i t u d eo fs f r f t h eb a s i cp r i n c i p l ei s s t l l j c t u r cb e a r i n g c a p a c i t yr e d u c e sa f t e rc r a c kd a m a g eo c c u r r e d ，s t r e s sc o n c e n t r a t e sn e a rt h ec r a c kt i p ， s t r a l nn e a rt h ec r a c kt i p m u t a t e s ，s t r a i nf r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o np a r a m e t e r s c n a n g eai o ta f t e rd a m a g eo c c u r r e d a n dw i t ht h ec r a c kp r o p a g a t i o n ，t h ec h a n g e a m p l i t u d ei n c r e a s e ，w h i l ei ti sn o to b v i o u si no t h e rr e g i o nf a rf r o mt h ec r a c k w ec a n i d e n t i f ya n dm o n i t o rc r a c kd a m a g eo c c u r sa n d p r o p a g a t i o nb yu s i n gt h ei n d e x t h ea c h i e v e m e n to ft h i s p a p e ri san e wk i n do fe f f e c t i v em e c h a n i c a is t r u c m r e c r a c ki d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ，i th a sr e f e r e n c ev a l u ef o rm e c h a n i c a l s t r u c t i j i eh e a l t h m o n i t o r i n ga n ds a f e t ya n a l y s i sb a s e do nc r a c kd a m a g e k e yw o r d s ： c r a c kd a m a g e ，f b gs e n s o r ，s t r a i nm o d e ，s t r a i nf r e q u e n c yr e s p o n s e f u n c t i o n 1 1 1 主要符号表 a 裂纹的长度 n 疲劳载荷循环周数 c 正值材料参数 k v 应力场强度因子 q 应力场强度控制因子 n 模态总数 g 广模态坐标 叽模态振型 饵位移模态 旷应变模态 占，乞正应变 ，比，剪应变 纺( x ) 第r 阶模态振型 q ，( t ) 对应的模态坐标 尸】位移函数矩阵 a b 一一多项式函数的系数列 阵 陋】尸 d 】【p 】阻】，1 单元应变 矩阵 恻微分算子 ) _ 一n 个单元的应变 6 ) n 个单元的节点位移 磊 - 一全局坐标系中的节点位 移向量 嗍坐标变换矩阵 觑，第k 阶模态刚度 棚广_ 第k 阶模态质量 “第k 阶模态阻尼 激励频率 h l 位移频率响应函数 叫模态矩阵 纺 _ 一第，阶固有模态的实数 列阵 研所考虑的模态总数 x = 【 u v w 】1 一一振动位 移向量 日( 缈) ：，在点激励下i 点的 频响函数 h 扣l 点到i + 1 点的距离 m s e ：损伤后第i 阶模态 的第j 个单元的单元应变能 五布拉格中心波长 ，k 纤芯有效折射率 人芯折射率调制周期 r 纤的弹光系数 s 轴向应变 4 l 。应变引起的波长漂移 卜f b g 应变灵敏度系数 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 随着现代工业设备大型化和规模化的发展，机械结构的承载越来越大，工 作时间越来越长，机械结构的断裂失效已经成为设备结构的安全性、可靠性、 使用寿命的最大威胁。大多数机械结构都在交变载荷下工作，再加上结构材料 表面或内部有缺附，如：夹杂、划痕、尖角、软点、显徼裂纹等，在长期工作 后，机械结构极容易产生疲劳裂纹。随着疲劳裂纹的扩展，机械结构会在事先 无明显的塑性变形作为征兆的情况下突然发生疲劳断裂。据统计，在各种金属 机械结构的断裂事故中，有8 0 源于疲劳断裂【2 】，故疲劳断裂具有很大的危险性。 所以，监测机械结构疲劳裂纹的产生和扩展对结构安全性至关重要。 目前，国内外在机械结构损伤识别中主要应用的有超声波技术、激光技术、 红外热像技术、电涡流传感技术、光纤布拉格光栅传感技术等。光纤布拉格光 栅( f b g ) 是2 0 世纪9 0 年代以来国际上新兴的一种在光纤通讯、光纤传感及光信 息处理领域有着广泛应用前景的基础性光纤器件p 】。它是一种性能优良的敏感元 件，通过布拉格反射波长的移动来感应外界微小应变变化【4 1 。光纤布拉格光栅传 感器与其他传统传感器相比，不仅具有集传感与传输于一体、构造简单、使用 方便等优点，而且可以工作在恶劣环境中、不受环境噪声干扰、抗电磁干扰， 可以对结构的应力应变进行高精度绝对测量、准分布式的数字测量，同时还可 构成各种形式的光纤传感网络系统【5 】。 根据结构动力学理论可知，所有结构都可以当作是由刚度矩阵、质量矩阵、 阻尼矩阵组成的力学系统，结构发生损伤后，其物理参数的改变会会引起上述 矩阵改变，从而改变结构模态参数。在结构诸多模态参数中，应变模态对结构 损伤非常敏感。当结构产生裂纹时，裂纹尖端及周围将产生应变集中，结构应 变模态将发生改变，因此可以通过结构应变模态参数的改变对结构裂纹的产生 和扩展进行识别。本研究将光纤布拉格光栅应用到机械结构裂纹识别中，结合 理论研究、仿真分析和实验测量，提出机械结构裂纹产生和扩展的识别新方法， 这对基于裂纹损伤的机械结构的健康监测和安全分析具有比较重要的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 机械结构裂纹产生和扩展相关理论 按材料变形的性质和形式，机械损伤可分为【6 】：( 1 ) 弹性损伤( 2 ) 弹塑性 损伤( 3 ) 疲劳损伤( 4 ) 蠕变损伤( 5 ) 冲击损伤。 在这些损伤形式中，弹塑性损伤、疲劳损伤最容易产生裂纹，蠕变损伤、 冲击损伤其次。 1 2 1 弹塑性损伤所致裂纹 裂纹损伤是由弹塑性材料中应力的作用而引起的。损伤发生时，伴随有残 余应变和应力，又称为延性塑性损伤。其表现形式主要是微孔洞、微裂纹的萌 生、成长和聚合。 ( 1 ) 材料弹塑性损伤下裂纹的产生： 材料或构件在载荷或其它外界因素( 变温、腐蚀等) 的作用下，发生塑性变 形后，其内部会产生一些微缺陷，如微孔洞、微裂纹等，造成结构的强度、刚 度、韧性下降，使结构的承载能力下降，剩余寿命降低。 微孔洞、微裂纹在应力和塑性应变的驱动下逐渐长大，继而发生微孔洞、 微裂纹等微观缺陷的聚合形成宏观裂纹。 ( 2 ) 弹塑性损伤下的裂纹扩展率 疲劳载荷下裂纹尖端扩展速率为： 里：亭( 足，) 叮 ( 1 - 1 ) d n 、 、 a 为裂纹的长度，n 为疲劳载荷循环周数，苔为正值材料参数，k v 为应 力场强度因子，q 为应力场强度控制因子。 单调加载下裂纹扩展速率为： 旦：狱，( 1 2 ) d k i k ，为按照裂纹长度a 所算出的应力场强度因子，石为与材料性能相关的 正值参数。 1 2 2 疲劳损伤所致裂纹 疲劳损伤的基本原理【7 】：结构在交变应力的作用下，应力集中处会产生疲劳 裂纹，在交变应力作用下，裂纹会缓慢扩展，当它达到临界尺寸时，就会失稳 2 武汉理工大学硕士学位论文 扩展，结构就会断裂。 疲劳损伤由交变应力所致的，为其循环次数的函数。疲劳损伤可分为高周 疲劳损伤和低周疲劳损伤，高周疲劳损伤低应力、高循环、低扩展速率，裂纹 在弹性体内扩展，用线弹性理论来研究；低周疲劳损伤高应力、低循环、高扩 展速率，用弹塑性理论来研究。 ( 1 ) 造成疲劳的原因 机械疲劳：材料破坏完全由外加波动载荷引起，则整个失效过程称为机 械疲劳。 热机械疲劳：循环载荷同高温联合作用造成蠕变疲劳，循环受载部件的 温度也变动时引入了热机械疲劳( 即热疲劳与机械疲劳的组合) 。 腐蚀疲劳：在存在侵蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加反复载荷时 产生。 滚动接触疲劳：载荷的反复作用与材料之间的滚动接触相结合。 微动疲劳：脉动应力与表面间的来回相对运动和摩擦滑动共同作用。 机械系统及其构件的失效大多数是由上述疲劳过程中的某一种或组合造 成。 ( 2 ) 金属材料疲劳裂纹产生、扩展过程： 滑移生核阶段，在零件表面出现微裂纹； 微观裂纹扩展阶段，扩展速率十分缓慢； 宏观裂纹扩展阶段，裂纹尺寸扩展到亚临界裂纹尺寸； 失稳扩展阶段，当裂纹扩展到临界尺寸时，即发生失稳断裂。 ( 3 ) 疲劳裂纹扩展速率 当应力循环a n 次后，裂纹扩展为a a ，则应力每循环一次的裂纹为a a a n ， 即为裂纹扩展率，极限条件下用微分d a d n 表示。 单循环交变应力作用下，垂直于应力方向的裂纹扩展速率为： d a d n = f ( o ，a ，c )( 1 - 3 ) n 一应力循环次数，旷正应力，a _ 裂纹长度，c 一与材料有关的常数。 ( 4 ) 裂纹扩展速率d a d n 与应力强度因子幅度a ki 应力强度因子幅度a ki 是决定裂纹扩展的主要参量，是造成疲劳裂纹扩展 的原动力。a kl 与d a d n 的关系可以通过图1 1 来研究。 武汉理工大学硕士学位论文 c 口 图l - 1l g ( d a d n ) l g a ki 关系曲线 第1 阶段：a ki a k t h 时，裂纹开始稳定扩展，此阶段l g ( d a d n ) - - i g a ki 关系可看作直线。 第1 i i 阶段：a ki 继续增大，kim a x 接近材料断裂韧度kic 或k c 时，快 速失稳扩展直至断裂失效。 ( 5 ) 影响疲劳裂纹扩展的因素 应力比r a k i 一定时，d a d n 随r 增大而增大；r 一定时，d a d n 随k 增大而增大。 图1 2 为平均应力对裂纹扩展速率的影响。 a r m p 墒 图1 2 平均应力对裂纹扩展速率影响 由图l - 2 知，在第1 阶段，门槛值a k t h 受r 影响显著，一般随其增大而减 少。在第1 i 阶段，r 对d a d n 的影响相比较小。第1 i i 阶段，断裂韧度kic 或k c 决定扩展，r 的影响明显。 过载 武汉理工大学硕士学位论文 实际中的机械构件并不是只承受单一、恒幅的交变应力，而是一个由各种 载荷幅值组成的载荷谱。例如，单一横幅交变载荷下的扩展速率为d a d n ，在施 加一个尖峰载荷后，扩展速率会迅速下降，甚至可以下降到d a d n = 0 。尖峰载荷 之后，要经过若干次循环后扩展速率才会逐渐恢复为正常的扩展速率，即过载 造成了引起裂纹扩展率变慢的迟滞效应。 加载频率 在a k 值比较低时，加载频率对裂纹扩展速率影响较小。a k 值较高时，特 别是在高温下，频率和蠕变的交互作用造成d a d n 的改变，加载频率越低，裂纹 扩展速率越大。 温度 一般，温度升高，扩展率增大，温度下降扩展率降低。 1 2 3 蠕变损伤所致裂纹 产生蠕变损伤的关键因素是温度和应力，不同的材料，高于某一温度就会 发生蠕变损伤和蠕变开裂。蠕变损伤可大致分为四种类型：丧失内截面产生的 损伤：环境侵蚀产生的损伤：丧失外截面产生的损伤；细微观结构劣化产生的 损伤。蠕变损伤的微观机制主要分为晶粒内部的蠕变和沿晶界和扩散。 通常在电力、化工及石油行业，一些设备和构件如锅炉蒸汽管道、加热炉 管等在高温下承受压力载荷的作用下容易产生蠕变损伤。对设备造成的影响是： 高温环境下，蠕变速率受晶粒边界扩散或位错运动以及受材料内微孔洞结合运 动的影响。材料蠕变损伤的表现形式为内部产生微空洞或微裂纹，损伤发展积 累到一定的程度，微观裂纹聚合成宏观裂纹，裂纹扩展到临界尺寸导致构件破 坏【引。 1 2 4 冲击损伤所致裂纹 机械结构在冲击载荷或高速载荷作用下，局部区域出现缺口、撕裂、折断 和凹坑等形式，并产生应力集中、残余应力及剪切带等现象，甚至形成初始裂 纹并扩展。这些微裂纹的数目非常多，但一般不会快速扩展，主要因为是载荷 时间非常短，一般是几个微秒。 含有裂纹缺陷的构件在冲击载荷作用过程中裂纹尖端的应力最大，破坏往 往从缺陷尖端开始。在冲击载荷波作用下，材料内部不均匀组织和微小孔洞在 拉应力作用下会长大，随着孔洞的增长，孔洞相互贯通，直至材料发生破坏。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 机械结构裂纹识别技术的国内外研究进展 机械结构裂纹识别技术的研究，国外的研究工作主要分为三个阶段：1 9 5 0 年之前，主要是分析机械结构裂纹产生的原因以及工程结构裂纹的修补方法， 检测裂纹的方法只能是目测；1 9 5 0 年到1 9 9 0 年，着重研究了机械结构损伤的检 测技术及评估方法，提出了超声波法、磁场法、热场法、声学、射线照相术及 涡流法等几十种现代检测技术；1 9 9 0 年至今，光纤布拉格光栅传感( f b g ) 等 一些新技术得到应用，制定了一系列结构完整性评估的规范和标准，引入专家 智能系统，着重对工程结构的健康状态和完整性进行评价和诊断，使工程结构 的损伤识别和完整性评估趋向于智能化和即时化吲。 机械结构裂纹识别技术的研究，国内在1 9 6 0 年左右，研究在役桥梁结构无 损检测技术，1 9 7 0 年到1 9 9 0 年，开始研究振动技术、超声波技术、电涡流技术、 声学等损伤检测技术，对机械结构裂纹损伤进行识别和完整性评估。1 9 9 0 年至 今，也逐步开始使用f b g 对机械结构裂纹进行识别。 下面，将列举几种应用较广的机械结构裂纹识别技术。 1 3 1 超声波识别裂纹技术 华中科技大学朱鸿茂、刘纯利用超声波对4 5 # 钢裂纹尖端塑性损伤进行了检 测。超声检测具有实时、快速、安全和灵敏度高等优点，因此，长期以来被广 泛应用于各种材料或构件内部宏观缺陷、杂质等方面的探测上。超声衰减系数 是超声传播特性中的一个重要参数，根据超声衰减系数的变化可以评估钢等材 料的塑性损伤【1 0 1 。 p ( x ) = p o e 叫一 ( 1 - 4 ) = ( 1 x ) l n p o p ( x ) 】 ( 1 - 5 ) p o 为x = 0 位置上的声压；p ( x ) 为传播x 距离上的声压；口。为介质衰减系数， 单位为d b m m 。 牡一 图1 3 超声波测量系统 6 武汉理工大学硕士学位论文 如图1 3 ，当试件受载时，裂纹尖端附近区域由于应力集中，材料发生塑性 变形。随着载荷p 不断增加，裂纹尖端塑性区不断扩大深入至探头探测区内的 同时，超声衰减不断增加，通过量度示波器显示的超声回波高度的变化，可计 算衰减系数的变化量。根据材料中衰减系数的变化，可以判断裂纹尖端塑性区 的变化。 1 3 2 红外热像识别裂纹技术 材料疲劳损伤过程是其内部状态的不可逆变化过程，这种变化必须由外界 提供能量才能完成，所以材料的疲劳是能量的耗散，宏观上表现为热耗散。 j a c h a r l e s 等人【1 1 1 用红外热像仪对疲劳破坏过程构件的危险断面进行预测，监 视裂纹扩展，描述应力集中区域附近的温度场。如图l _ 4 所示，疲劳过程中温度 变化可分为三个阶段：第一阶段试件与环境温差小，热量损失少；第二阶段温 度稳定，试件与环境热量交换大致相当；第三阶段裂纹进入快速扩展，裂尖的 能量快速释放，导致裂尖温度快速上升，直至试件发生破坏。 t t o 图4 疲劳过程温度变化 1 3 3 电涡流传感器识别裂纹技术 美国j e n t e ks e n s o r si n c 产品。测量铁类或非铁类合金的平面或弧面表面 的绝对磁和导电特性，可检测1 2 个晶粒大小的微裂纹。一个电涡流传感( m w m ) 单元由两个绕组相反方向相联，根据用途和传感范围不同，多个传感单元相组 合成阵列【i l j ，用于疲劳损伤的监测。检测疲劳裂纹时，各传感单元电导率会随 疲劳循环的增加而减少，标定电导率和裂纹长度之间关系( 如图1 5 、1 - 6 所示) ， 就可知裂纹长度和循环次数的关系，进而易得疲劳裂纹扩展速率。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ；m c k l l a t l on z 。n e r c s o m u p o s ” 确专网i 。jf j 幽i j 幽! l l 图1 - 5m w m 阵列测两个疲劳裂纹图1 - 6 电导率卜降比一裂纹长度 m w m 测量精度高，传感单元成本低，用途灵活，通过不同方式阵列可测不 同类型裂纹，经久耐用，可用于长期在线疲劳监测。缺点是，在未知损伤位置 的情况下需大量粘贴传感件，每个元件传感范围仅局限在单元附近。 1 3 4 表面导电涂层电位识别裂纹技术 西北工业大学张善智【1 2 】提出通过测量涂有导电涂层构件测点间电位变化来 监测表面疲劳的长度和位置。电位检测裂纹的基本原理如图1 7 ：构件两端电位 差服从欧姆定律( u = 瓜) ，当电流为恒定值i 时，电位差u 决于构件的电阻r 。 当构建中出现裂纹时，r 会改变，从而导致u 变化，此时u 为表征裂纹位形和 尺度参数的函数【j 2 】。直接用探头监测电位，不利于实时在线监测，而且在构件 的隐蔽、狭窄部位探针难以到达。为此，作者提出在构件表面制造出导电涂覆 层，通过测量涂覆层的电位变化来检测构件裂纹位形和尺寸。 i 乜力娩 图1 7 电位检测裂纹深度工作原理( a ) 无裂纹情况( b ) 有裂纹情况 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 5 光学显微镜识别裂纹技术 韩国原子能研究所的h y e o n g y e o nl e e 1 3 】等人用光学显微镜来观察测量蠕 变裂纹。研究者进行了反应装置结构测试，设备为一个容量为i m n 的液压激励， 5 0 k w 的高频感应加热器，感应线圈绕试件六圈，外径为6 5 0 m m ，仪器的作用是 给试件加热和施加循环载荷。利用光学显微镜观察焊接圆柱体壳的裂纹扩展变 化，再用法国a 1 6 法进行验算。 1 3 6f b 6 超声检测识别裂纹技术 如图1 8 所示，日本的h i r o s h it s u d a 1 4 】等人用f b g 感应超声波的方法检测 疲劳裂纹，当超声波经过裂纹时由于散射会造成频率降低( 未经过裂纹为 2 2 5 m h z ，经过裂纹为2 0 m h z ) ，到达f b g 时会出现时间延迟。在超声发射探 头f b g 路径与裂纹垂直相交位置不同情况下，f b g 对超声信号的响应会有不同 程度的延迟，特别是在超声f b g 路径经过裂纹尖端时，f b g 响应信号的时间延 迟的斜度变化明显，利用此特征可以判断裂纹尖端位置。f b g 响应与压电式传 感响应的对比试验，证明在光栅长度短于超声波波长的情况下，f b g 检测裂纹 尖端更加准确、灵敏。该研究并未给试件加疲劳载荷，所以f b g 超声检测疲劳 裂纹扩展有待研究。所检测的裂纹为长裂纹，能否检测微裂纹有待研究。 m ) 图1 - 8f b g 超声疲劳裂纹检测装置示意图 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 。7 基于应变参数的裂纹识别技术 ( 1 ) 基于应变参数的机械损伤理论研究 l h 删【1 5 】推导了弹性体结构在振动下的应变模态和位移模态的关系，通 过有限元法建立了应变频响函数到位移频响函数的模型。表明了应变模态对物 体结构改变的敏感性高于位移模态。李德葆给出了预测振动应变响应的模态模 型；并从这一基本模型出发，系统阐明了应变传递函数的构成特点，测试方案 以及模态参数识别的4 种方法【i 6 1 。郭湘宇探讨了应变模态的原理和参数识别方 法，获得了悬臂梁多阶应变模态的振型图。根据悬臂梁的振型变化，判断出结 构微小损伤的具体位置，并由此结果验证了将应变模态法应用于工程实际并对 各种结构损伤进行监测诊断的可行性【1 1 1 。张对红研究了裂纹尖端附近断裂过程 区内的应力和应变分布。假定断裂过程区中的应变也呈线性分布，确定了断裂 过程区中的拉伸应变。根据应力和应变连续分布的特点，对裂尖附近应力、应 变的弹塑性j 积分解作了修正，确定了裂尖附近断裂过程区和弹塑性区中应力、 应变场的分布【1 8 】。姜德生、黄艳红介绍了光纤布拉格光栅传感器和应变模态理 论的基本原理，综述了应变模态理论用于结构损伤识别的研究现状。f b g 传感 器在健康检测和损伤识别方面主要应用在大型土木工程、复合材料等，已显示 了其在损伤检测方面的优越性，但把f b g 传感器应用于机械设备或其组件的结 构完整性评估检测还是空白【1 9 。2 。a d d i sk i d a n e 2 2 】应用应变能量密度来研究裂纹 扩展方向。文章指出：裂纹是在应变能量密度达到了临界值开始扩展的，并且 沿着应变能量密度最小的方向扩展。给出了裂尖附近应变能量密度的计算公式。 ( 2 ) 基于应变参数的损伤识别指标研究 r p c s a m p a t o 2 3 】介绍了近年来监测结构损伤得到了科学界的广泛关注，与 之对应的科学手段也在发展。频响函数曲率法不需要模态识别，仅仅依靠实验 测得的数据就可以对损伤出现、位置、程度进行监测。并且使用从一座大桥上 测得的数据进行分析举例，验证了频响函数曲率法是有效的方法。l h y a m 矧 对检测平板结构损伤中的参数敏感性做了研究，描述了曲率模态法和应变频响 函数法。运用数值计算和实验验证对两种方法的识别损伤的能力进行了验证， 得出应变频响函数法是最简单有效的方法。对选择合适的参数进行损伤识别提 出了指导意见，即频率传递函数在频率变化阶段( 损伤阶段) 比在标称频率阶 段( 完整阶段) 更适合用来得到应变频响函数参数指标。y y “【2 5 j 研究了应用 应变模态识别平板结构损伤位置的技术。提出了两种新的损伤敏感参数来识别 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 损伤的位置，分别是扰度瞬态指标和残余应变模态振型指标。通过和常规的识 别指标对比，这两个参数更加简单有效。并且通过实验和数值计算得以验证。 ( 3 ) 基于应变参数的裂纹识别实验研究 如图1 - 9 ，孙曼【2 6 1 利用f b g 裂缝传感器与应变片传感器同时检测钢砼组合 桥面板模型砼顶裂缝损伤。如图1 1 0 、1 1 1 ，实验表明：与传统电测方式相比， f b g 传感器显示了高灵敏度，高精度，高可靠性和测试范围大等优点，尤其对 于损伤发生发展全过程的检测，具有较大的优越性。 拉f f f b gl 】、 0 毛 芑 杈 犍 图1 - 9f b g 裂缝传感器原理图1 1 0 破坏前应变分布图图1 11 破坏后应变分布图 潘吉明、卢耀祖应用计算机技术对桑塔纳后桥疲劳试验时的应变变化进行 实时监测，研究了疲劳裂纹问题【2 7 1 【2 引。根据分析各测点应变的最大最小值包络 线( 如图1 1 2 ) ，得出裂纹扩展和应变变化的初步关系：第一阶段为裂纹的形成 阶段，应变呈等均值和等幅度波动；第二阶段，裂纹开始扩展时，应变均值和 幅值会发生渐变；在裂纹迅速扩展阶段，应变变化的幅值和均值均出现显著的 变化；在第三阶段，应变变化逐渐缓慢，裂纹扩展也逐渐放慢；每一最大应变 幅值方向与裂纹有一定的夹角关系，并近似垂直。这为研究裂纹扩展规律和附 近应变变化的关系做了初步工作。 次敛，万次 - d 方向 图l - 1 2 测点三个方向上的应变包络线 02468 l o1 2 次鼓，万次 c9 0 方向 武汉理工大学硕士学位论文 徐玉秀对裂纹圆盘进行动态特性分析，获得振型和应变响应。应用多重分 形理论计算和分析裂纹圆盘应变响应的广义维数和敏感维数【2 9 】。把应变广义分 形维数、敏感维数作为圆盘裂纹状态的特征量，如表1 1 ，得到圆盘裂纹的应变 广义维数相关系数，如表1 2 ，用广义维数相关系数法对裂纹长度进行定量识别。 表i 1 圆盘外端点的应变敏感维数 裂纹状奁0 敏感维数06 5 2307 0 51 07 2 4507 4 0507 5 95 表1 2 待检圆盘x l 与样本圆盘应变响应广义维数相关系数 f 专检嘲i ：| 【善lr h hi ) ，r f j r pi ，r ，j i 2 ，rr j h 3j r ，x 1 4j 车h 天系敏 2 31 28 l 1 65 iq4 511 2 如图1 1 3 所示，r o d r i g oa 等a t 3 0 】利用分布式光纤光栅检测拉伸试件长度方 向的应变分布。在循环载荷下，试件产生疲劳裂纹，位置o m m 点为裂纹起点， 由于该点附近为裂纹尖端，应力集中造成该部位应变分布曲线变化剧烈。由不 同加载循环次数时的应变分布，可以监测裂纹的位置和扩展。 图1 1 3 不同循环周次下的应变变幅监测 1 2 瞅瞅瞅瞅歌咖m 眦口咄伽狮蛳 三一 次次次次 周周周周 一一一一 二= 武汉理工大学硕士学位论文 如图1 1 4 所示，h i r o s h it s u d a 3 1 】应用超声波定位捕捉法结合f b g 传感器， 对不锈钢构件中闭合的疲劳裂纹做了检测，证明f b g 传感器比压电式传感器能 更有效的对裂纹尖端定位。 信号发生器 发射器 l 广l 一 = ：ai 舢长f b gj l塾里垂熊墨 实验样本 f b ) 图1 1 4 测试疲劳裂纹的实验( a ) 安装超声波传感器发射机和测试样本( b ) 测量系统 如图1 1 5 所示，y o j io k a b e 等人【3 2 】在复合材料中嵌入栅长为5 0 m m 的啁啾 布拉格光栅( c h i r p e df i b e rb r a g gg r a t i n g ) ，以识别横向裂纹( 与光纤方向垂直) 损伤的位置。啁啾f b g 的反射光谱是沿光栅方向位置的函数，取光谱的半最大 值线宽与栅长( 5 0 m m ) 对应，当光栅长度方向上某一处出现裂纹时，其对应的 波长位置上的反射率值会降低，表现为光谱图线的凹下。因此，可以通过观察 反射光谱凹下的位置即可判断裂纹的位置。y o “o k a b e 用一般啁啾光栅和小直径 啁啾光栅做了对比试验，证明小直径光栅识别裂纹位置的分辨率更高。 w m k - 岫i m ) ( a ) 没有裂纹 - 由i _ ( b ) 有1 条裂纹 图1 1 5 反射光谱 w _ q 一哪 ( c ) 有5 条裂纹 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 研究现状分析 推导出了应变模态和应变频响函数的模型，提出了曲率模态法、应变频响 函数法等损伤识别指标，可对结构损伤识别和定位。应用f b g 识别裂纹，可以 初步定位裂纹。此方法灵敏度高、测量范围广、可全程监测，优于传统应变片。 存在的问题：对微裂纹的识别研究还不够深入，目前检测的以宏观裂纹为 主；对裂位置的识别还不够精确，对裂纹尺寸、扩展速率的监测研究甚少。 如表l - 3 ，通过对比以上几种技术，可以得出基于应变场和光纤光栅传感的 损伤识别技术的优势。 豢： 基于应变场和光纤光栅传感的损伤识别技术 荔 超声波损伤识别技术可分布式测量 红外热像损伤识别技术精度高 电涡流传感器损伤识别技术不用大量布点测量，传感范围较大 电位损伤识别技术不需要在结构表面制造导电涂覆层 光学显微镜损伤识别技术可实时、分布式测量 1 4 论文主要内容 第l 章阐述课题的研究背景和意义。综述和分析国内外的裂纹损伤识别技 术的研究现状，着重介绍了基于应变类参数的裂纹识别技术和光纤光栅传感技 术在裂纹识别和监测中的应用。分析了各种技术的优缺点。 第2 章研究基于应变参数的裂纹识别理论，通过直接从位移模态的推导、 从连续体微分方程的推导和有限元法推导应变模态。研究应变模态测试方法和 模态参数识别方法。介绍基于应变模态、应变频响函数、应变能的裂纹损伤识 别方法，阐明其公式、原理和特点，并对三种方法做对比分析，得出应变频响 函数损伤识别参数最具优势。 第3 章对四角固支薄板的裂纹损伤对应变场的分布进行有限元分析。应用 有限元软件a n s y s ，通过在裂纹前缘附近采用退化的奇异单元，远离裂纹部分 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 则采用常规单元的方式，建立带穿透性裂纹板的有限元模型。应用l 4 节点位移 法、j 积分法计算裂纹尖端应力强度因子，并得出裂纹周围应变场分布情况。分 析了薄板的前9 阶模态振型。分析裂纹扩展过程中，周围应变场的分布和变化 情况，结合薄板谐响应分析结果，从中提取出应变响应。分析应变幅值从无损 板到裂纹逐渐扩展的规律，提出基于应变频响函数变化幅值的裂纹识别指标。 第4 章介绍光纤光栅应变传感原理，以及采用波分复用技术的光纤光栅分 布传感原理。建立基