基于光纤布拉格光栅的孔边疲劳裂纹监测研究

摘要

光纤布拉格光栅(FBG)传感器被广泛应用于轨道车辆、机械装备等结构裂纹损伤监测,通过传统有限元方法获取结构裂纹损伤与光纤信号的作用机理需要大量的计算时间和计算成本,同时,基于单一特征值的裂纹定量监测模型往往难以应用于轨道车辆复杂的铝合金板状结构,为此,结合扩展有限元和支持向量回归方法提出一种新的孔边裂纹监测方法,以光纤布拉格光栅传感器为媒介,通过扩展有限元法模拟含孔结构在循环加载条件下的裂纹扩展过程,利用传输矩阵法重构FBG反射谱,揭示裂纹扩展时应变变化与FBG反射谱的作用机理,提取中心波长、展宽、波峰数、反射谱面积、损伤谱与健康谱的重合面积、分形维数、相关系数共7个损伤特征值,利用支持向量回归方法建立损伤特征值与裂纹长度之间的诊断模型,实现对裂纹长度的实时监测,并开展裂纹长度仿真分析与疲劳裂纹扩展试验。研究结果表明:融合多传感器的仿真分析裂纹长度预测平均相对误差绝对值为6.67%,试验监测裂纹长度平均相对误差绝对值为3.67%,验证了本方法的准确性与有效性。