基于光纖光柵傳感和應(yīng)變頻響函數(shù)的機械結(jié)構(gòu)損傷識別.pdf

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1、基于光纖光柵傳感和應(yīng)變頻響函數(shù)的機械結(jié)構(gòu)損傷識別半口柯孟龍武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院武漢430070摘要：提出用光纖光柵分布式傳感來測量機械結(jié)構(gòu)應(yīng)變場，并提出一種相應(yīng)的應(yīng)變頻響函數(shù)損傷識別參數(shù)。算例分析和實驗證明了這種損傷識別方法對局部損傷敏感度高，簡單有效，適合于機械結(jié)構(gòu)的損傷檢測。關(guān)鍵詞：機械損傷識別光纖光柵分布式傳感應(yīng)變頻響函數(shù)參數(shù)中圖分類號：TP212；0329文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000—4998(2011)10—0061—03損傷會影響機械結(jié)構(gòu)的安全和運行，造成機械結(jié)系統(tǒng)的所有模態(tài)參數(shù)信息，且可直接測量實用，無疑是構(gòu)的質(zhì)量和剛度的缺失，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固

2、有頻率、模態(tài)振型一種很好的損傷識別指標(biāo)。和頻響函數(shù)等動力參數(shù)的改變?；谶@些參數(shù)，前人已在結(jié)構(gòu)中點激勵，在點測得的應(yīng)變頻響函數(shù)可提出了很多位移類的損傷識別指標(biāo)[1]。然而，連續(xù)運轉(zhuǎn)以表示為：機器的失效往往可溯源于微小的局部損傷，相比于位H()=哆(1)移量，應(yīng)變量對局部損傷更敏感，因此應(yīng)變相關(guān)損傷識式中：為頻率；Y相當(dāng)于單自由度系統(tǒng)的導(dǎo)納；表別方法近年來得到了大量的關(guān)注E23。LHYam和YYLi等人[3．4]對幾種應(yīng)變類損傷識別指標(biāo)作了靈敏度的示應(yīng)變模態(tài)矩陣的一行；表示位移模態(tài)矩陣的一列。比較分析，得出應(yīng)變頻響函數(shù)參數(shù)是最簡單、最有效的從式中可以看出，應(yīng)變頻

3、響函數(shù)包含了位移模態(tài)振型、方法，有很好的實用前景。應(yīng)變模態(tài)振型、模態(tài)剛度、模態(tài)阻尼和模態(tài)質(zhì)量等模態(tài)利用應(yīng)變參數(shù)作準(zhǔn)確的損傷識別，依賴于結(jié)構(gòu)應(yīng)參數(shù)，信息量豐富。變場的準(zhǔn)確測量。傳統(tǒng)電氣類金屬應(yīng)變計布線繁瑣，大LHYam等人提出基于應(yīng)變頻響函數(shù)的損傷識別量使用會增加待測機構(gòu)的重量，易受電磁干擾，弊端多靈敏度參數(shù)：多。PCapoluongo等人研究了將光纖布拉格光柵(FiberBraggGratings，F(xiàn)BG)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和損傷檢測的可行性，證明了其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的[()](2)優(yōu)越性E5]。FBG應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體小、質(zhì)輕；高分辨率，高靈敏度；波

4、長編碼，不受光源的光強波動、光纖式中：是代表損傷程度的數(shù)值；∞為無損傷時固有頻連接及耦合損耗等因素影響，抗電磁干擾；復(fù)用性強，率，五為結(jié)構(gòu)損傷產(chǎn)生頻移后對應(yīng)于的固有頻率；可在一個光纖寫入多個光柵．易于構(gòu)成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)來檢測機械結(jié)構(gòu)的應(yīng)變場。日：、：分別為損傷前后i、兩點間的應(yīng)變頻響函數(shù)；本文提出一種適合于FBG應(yīng)變場分布式測量的為所考慮的頻率范圍內(nèi)的頻率數(shù)；(r一，，Z一，Z)應(yīng)變頻響函數(shù)參數(shù)，并通過有限元數(shù)值分析和實驗的為有限元模型中節(jié)點數(shù)目。方式來驗證該損傷識別參數(shù)的可行性。從式(2)中可以看出，JB()為的函數(shù)，因此可反映損傷參數(shù)與損傷程度的關(guān)系，LH

5、Yam通過數(shù)值分1基于應(yīng)變頻響函數(shù)的損傷識別參數(shù)析，得到了()一函數(shù)曲線，但未經(jīng)實驗驗證?；趹?yīng)變類參數(shù)的損傷識別參數(shù)中，應(yīng)變模態(tài)測應(yīng)用式(2)計算應(yīng)變頻響函數(shù)，需計算每個單元各量方便，可反映損傷位置，是研究最早的一種參數(shù)。但節(jié)點的頻響函數(shù)．但在實際試驗檢測過程中不可能實是在計算該參數(shù)之前，必須先進行模態(tài)參數(shù)識別，這影現(xiàn)。為適應(yīng)光纖光柵傳感檢測應(yīng)變，本文使用了下面的響了損傷識別的效率，而且應(yīng)變模態(tài)只包含振型信息，應(yīng)變頻響函數(shù)靈敏度參數(shù)：無法研究損傷與參數(shù)內(nèi)在聯(lián)系。應(yīng)變頻響函數(shù)包含了廠—————————————————一—————————————、／{[()一(

6、)]／max[；()(3)武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究項目f編號：2010一ZY—JD一011)收稿13期：2011年4月將損傷前后結(jié)構(gòu)上各測點得到的應(yīng)變頻響函數(shù)數(shù)機械制造49卷第566期2011／10回?fù)?jù)代入式(3)中，便可計算出平板中各點數(shù)值。應(yīng)變變化情況。2光纖光柵應(yīng)變傳感原理3算例分析光纖Bragg光柵的傳感原理是：光柵周圍應(yīng)變、溫板結(jié)構(gòu)是機械工程中大量運用且重要的構(gòu)件。從度或其它物理量發(fā)生變化導(dǎo)致光柵周期或纖芯折射率飛機機翼、汽車車身到車床床身隨處可見?？紤]如圖2的變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號的波長位移，通過檢的平板．其尺寸為500mmx500mmx

7、3mm，損傷區(qū)域測Bragg波長位移的情況，就可掌握待測物理量的變尺寸為50mmx50mmxhmm，(h。是損傷處板厚度)，化。四角全約束。為與后面實驗試件的條件一致，模型改為光纖Bragg光柵的波長A取決于光柵周期以和在四角附近開西28mm的通孑L作固支f圖3)。圖3中，纖的有效折射率nef，它們之間的關(guān)系式可表示為：陰影部分為損傷區(qū)域。在板幾何中心施加正弦集中力AB=2n~A(4)100sin(rot+~／4)N，其中t為時間。借助有限m-元分由應(yīng)力應(yīng)變引起的光柵Bragg波長的位移可以表析軟件ANSYS諧響應(yīng)分析計算出結(jié)構(gòu)各點f圖3中標(biāo)示為：“x”的點)

8、．在完整和損傷情況下方向上的應(yīng)變頻域△