基于光纤光栅传感和应变频响函数的机械结构损伤识别.pdf

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1、基于光纤光栅传感和应变频响函数的机械结构损伤识别半口柯孟龙武汉理工大学机电工程学院武汉430070摘要：提出用光纤光栅分布式传感来测量机械结构应变场，并提出一种相应的应变频响函数损伤识别参数。算例分析和实验证明了这种损伤识别方法对局部损伤敏感度高，简单有效，适合于机械结构的损伤检测。关键词：机械损伤识别光纤光栅分布式传感应变频响函数参数中图分类号：TP212；0329文献标识码：A文章编号：1000—4998(2011)10—0061—03损伤会影响机械结构的安全和运行，造成机械结系统的所有模态参数信息，且可直接测量实用，无疑是构的质量和刚度的缺失，导致结构固

2、有频率、模态振型一种很好的损伤识别指标。和频响函数等动力参数的改变。基于这些参数，前人已在结构中点激励，在点测得的应变频响函数可提出了很多位移类的损伤识别指标[1]。然而，连续运转以表示为：机器的失效往往可溯源于微小的局部损伤，相比于位H()=哆(1)移量，应变量对局部损伤更敏感，因此应变相关损伤识式中：为频率；Y相当于单自由度系统的导纳；表别方法近年来得到了大量的关注E23。LHYam和YYLi等人[3．4]对几种应变类损伤识别指标作了灵敏度的示应变模态矩阵的一行；表示位移模态矩阵的一列。比较分析，得出应变频响函数参数是最简单、最有效的从式中可以看出，应变频

3、响函数包含了位移模态振型、方法，有很好的实用前景。应变模态振型、模态刚度、模态阻尼和模态质量等模态利用应变参数作准确的损伤识别，依赖于结构应参数，信息量丰富。变场的准确测量。传统电气类金属应变计布线繁琐，大LHYam等人提出基于应变频响函数的损伤识别量使用会增加待测机构的重量，易受电磁干扰，弊端多灵敏度参数：多。PCapoluongo等人研究了将光纤布拉格光栅(FiberBraggGratings，FBG)应用于结构的模态分析和损伤检测的可行性，证明了其在结构健康监测方面的[()](2)优越性E5]。FBG应变传感器结构简单、体小、质轻；高分辨率，高灵敏度；波

4、长编码，不受光源的光强波动、光纤式中：是代表损伤程度的数值；∞为无损伤时固有频连接及耦合损耗等因素影响，抗电磁干扰；复用性强，率，五为结构损伤产生频移后对应于的固有频率；可在一个光纤写入多个光栅．易于构成分布式传感网络来检测机械结构的应变场。日：、：分别为损伤前后i、两点间的应变频响函数；本文提出一种适合于FBG应变场分布式测量的为所考虑的频率范围内的频率数；(r一，，Z一，Z)应变频响函数参数，并通过有限元数值分析和实验的为有限元模型中节点数目。方式来验证该损伤识别参数的可行性。从式(2)中可以看出，JB()为的函数，因此可反映损伤参数与损伤程度的关系，LH

5、Yam通过数值分1基于应变频响函数的损伤识别参数析，得到了()一函数曲线，但未经实验验证。基于应变类参数的损伤识别参数中，应变模态测应用式(2)计算应变频响函数，需计算每个单元各量方便，可反映损伤位置，是研究最早的一种参数。但节点的频响函数．但在实际试验检测过程中不可能实是在计算该参数之前，必须先进行模态参数识别，这影现。为适应光纤光栅传感检测应变，本文使用了下面的响了损伤识别的效率，而且应变模态只包含振型信息，应变频响函数灵敏度参数：无法研究损伤与参数内在联系。应变频响函数包含了厂—————————————————一—————————————、／{[()一(

6、)]／max[；()(3)武汉理工大学自主创新研究项目f编号：2010一ZY—JD一011)收稿13期：2011年4月将损伤前后结构上各测点得到的应变频响函数数机械制造49卷第566期2011／10回据代入式(3)中，便可计算出平板中各点数值。应变变化情况。2光纤光栅应变传感原理3算例分析光纤Bragg光栅的传感原理是：光栅周围应变、温板结构是机械工程中大量运用且重要的构件。从度或其它物理量发生变化导致光栅周期或纤芯折射率飞机机翼、汽车车身到车床床身随处可见。考虑如图2的变化，从而产生光栅Bragg信号的波长位移，通过检的平板．其尺寸为500mmx500mmx

7、3mm，损伤区域测Bragg波长位移的情况，就可掌握待测物理量的变尺寸为50mmx50mmxhmm，(h。是损伤处板厚度)，化。四角全约束。为与后面实验试件的条件一致，模型改为光纤Bragg光栅的波长A取决于光栅周期以和在四角附近开西28mm的通孑L作固支f图3)。图3中，纤的有效折射率nef，它们之间的关系式可表示为：阴影部分为损伤区域。在板几何中心施加正弦集中力AB=2n~A(4)100sin(rot+~／4)N，其中t为时间。借助有限m-元分由应力应变引起的光栅Bragg波长的位移可以表析软件ANSYS谐响应分析计算出结构各点f图3中标示为：“x”的点)

8、．在完整和损伤情况下方向上的应变频域△