基于光纤光栅的悬臂结构疲劳裂纹实验研究*

2016-10-21 11:31徐刚梁磊仇磊李红丽梅华平曹珊
传感技术学报 2016年9期
关键词:光栅传感固有频率

徐刚,梁磊,仇磊,李红丽,梅华平,曹珊

(1.湖北工程学院机械工程学院,湖北孝感432000;2.武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室,武汉430070)

基于光纤光栅的悬臂结构疲劳裂纹实验研究*

徐刚1,2*,梁磊2,仇磊2,李红丽1,梅华平1,曹珊2

(1.湖北工程学院机械工程学院,湖北孝感432000;2.武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室,武汉430070)

疲劳以及裂纹对机械结构的寿命和生产安全都有着重要的影响。针对叶片等悬臂类结构设计了一种采用光纤光栅进行疲劳测量的方法,通过对比实验证实了裂纹对结构疲劳过程的影响。实验结果表明:完整叶片结构试件的固有频率为124.2 Hz,经过5×106次循环后固有频率和光栅波长均无明显变化;而有0.1 mm深度裂纹的固有频率为123.3 Hz,经过5×106次循环后固有频率变为86.68 Hz,证实了裂纹对疲劳寿命的影响。

疲劳;裂纹;悬臂结构;光纤光栅;固有频率

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.09.011

疲劳与断裂是机械设备在使用过程中的常见故障,尤其是随着经济的高速发展,更多的大型设备要求在高温高压等恶劣环境下长期运行,由疲劳引发的设备故障并造成巨大经济损伤和人员伤亡的事例数不胜数[1-3]。对设备的疲劳故障进行检测研究可以有效判断设备的运行状态,提前发现故障,预防结构发生灾难性的失效,从而避免国家财产和人民生命安全受到巨大的破坏。研究设备的疲劳状态还可以有效延长设备的整体寿命,做到早发现早治疗,对问题部件及时进行更换,从而避免更大的破坏[4]。

自1989年Morey首次提出将光纤光栅用作传感以来,光纤光栅传感技术受到了世界范围的广泛重视,并且得到了迅速的发展[5-6]。与传统传感器相比,光纤传感器有本质防爆、抗电磁干扰、信号可远距离传输等诸多优点[7-8]。光纤光栅传感技术的长期、实时、在线监测的稳定性以及其本质安全的特性都已经受到专家们广泛的关注和认可,并逐渐成为大型结构工程(如桥梁、机械设备等)健康监测的核心技术之一[9-11]。

本文提出采用光纤光栅传感技术对悬臂类结构试件进行疲劳实验,通过有裂纹和无裂纹试件的对比实验,研究了裂纹对结构疲劳过程的影响。

1 光纤光栅疲劳检测原理

当单模光纤上的FBG光栅进行动态应变时,光栅内引起的折射率微扰可表达为[12]

其中z是轴坐标,t是时间,Δn0可认为是折射率微扰的“直流”分量,η是调制系数(在数值计算中一般选取η=1.0),ΛB为FBG光栅的周期,对均匀光栅附加相位φ(z)为0。

沿着FBG的动态非均匀应变可写为:

这里z∈[0,L],L是光栅长度,ε0(t)是z=0处的应变,k1(t)是应变梯度。

因为FBG的耦合方程是关于空间坐标的微分方程,在求解微分方程时时间参量t可认为是一个常量。一系列的模拟表明,经历动态线性应变的FBG的反射谱是关于中心波长对称的,中心波长漂移对动态应变梯度k1(t)的依赖关系可得到为

从上式可以看出,动态线性应变对FBG的反射谱和中心波长的影响。可是如果我们选择坐标范围为z∈[-L/2,L/2],可以发现中心波长漂移独立于应变梯度,即:

其中,pe为有效弹光系统,对普通石英光纤其值为0.22,若使用1 550 nm的FBG光栅,则应变系数为1.2 pm/με。

裂纹萌生—扩展—断裂是疲劳破坏的3个阶段和一大特点。当材料受对称恒幅循环载荷控制时,应力-寿命关系用S-N曲线表达,是材料的基本疲劳性能曲线。通常用一组标准试件,在给定的应力比R下,给材料施加不同的应力幅Sa进行疲劳试验并记录相应的寿命N。关于S-N曲线的数学表达式中最常用的是幂函数式表达的S与N间的双对数线性关系,其表达式为

其中m与C是与材料、应力比、加载方式等有关的参数。两边取对数,有

式中,材料参数A=lg(c/m),B=-(1/m)。

2 试件疲劳检测实验

采用如图1测试系统中所示悬臂结构进行疲劳试验,目的是对比悬臂类结构在不同初始裂纹情况下的断裂速度,特别是在有裂纹和没有裂纹的完整叶片之间的区别。叶片结构通过自制特殊夹具安装在振动平台上,振动台装有标准参考传感器,可以通过电脑准确控制振动台的频率和振幅。疲劳检测形式采用将光纤光栅粘贴在叶片结构上,测量叶片在恒幅循环应力下的应变,主要输出参数为光纤光栅的波长变量和定期测量叶片结构的自由振动频率。光纤光栅波长变化通过光纤光栅解调仪进行采集。叶片结构的自由振动频率通过锤击法进行,再对光纤光栅所采集的信号进行频率分析,即可测得。其中,光纤光栅的粘贴采用EPO-TEK公司的353ND双组份胶,在125℃下进行固化。叶片结构上的裂纹采用飞秒激光进行加工制作,以模拟真实裂纹情况。振动台上安装的叶片中包含一个没有裂纹的叶片,以用来进行对比,包括证明所采用的粘贴固化方式可以承受其疲劳次数。本次实验安装了2个叶片,其光纤光栅的波长分别为:完整叶片1 551.265 nm,裂纹叶片1 560.536 nm。叶片为长80 mm,宽20 mm,厚度1 mm的等厚结构。

图1疲劳实验系统中悬臂结构的受激振动系统为丹麦B&K公司生产的LAN-XI振动分析系统,系统中激振器型号为vibration exciter type 4808,功率放大器为power amplifier type 2719,标准参考加速度传感器为type 4371。光纤光栅波长解调系统采用武汉理工大学光纤传感国家工程实验室自行开发的解调系统,其采样频率达4 000 Hz,测量精度为1 pm,实现光纤光栅的高速高精度解调,满足了实验需求。

图1 光纤光栅悬臂结构疲劳测试系统

首先采用锤击法测量了完整叶片结构的固有频率,其时域图和傅里叶变换后的频域图分别如图2(a)和图2(b)所示。结构在受到瞬态激振后,会因激振力的作用发生振动,同时还受自身阻尼的约束,所以在也敲击后呈现自由振动形态,以受力方向固有频率为振动频率,振幅越来越小;对锤击法测得的信号进行傅里叶变换得到如图2(b)所示的频域图谱,从图中可以1 mm厚叶片的固有频率为124.2 Hz。

图2完整叶片结构受激谱图

图3为带有裂纹叶片用锤击法测得的固有频率频谱图,该裂纹为飞秒激光加工所得,其深度约为0.1 mm,其固有频率为123.3 Hz。然后将该结构安装到图1所示激振台上,以123.3 Hz为激振频率,对其施加不同加速度的振动信号,测得不同加速度下的变形情况,图4示出了此次试验的光纤光栅的波长变量,可以看出随着激振加速度的增加,叶片的变形越来越严重,在加速度为35 m/s2时,光纤光栅的波长变量已接近1 000 pm。为了后续的实验中保持光纤光栅的有效性,激振加速度便不再增加。

图3 裂纹试件受激频谱

图4 裂纹试件在不同激振力时的应变

为了测试悬臂结构在有裂纹和无裂纹情况下,随着使用次数的增加,结构裂纹扩展情况,首先将上述0.1 mm裂纹结构进行了测试。实验条件为,首先采用其固有频率(123.3 Hz)作为激振频率,激振加速度大小选择35 m/s2,每20 min记录一次光纤光栅的波长变化值。图5示出了本次实验的实验结果,可以看出在前2个小时(近9×105次)随着振动次数的增加,光纤光栅的波长值呈明显下降趋势,从近1 000 pm降到了只有600 pm,但在随后的6个小时里(从9×105次到3.5×106次)光纤光栅的波长几乎没什么变化。在总实验达到了约8个小时时,作者再次用锤击法测量了叶片的固有频率,发现此时叶片的固有频率仅为109.9 Hz如图6,因此对前3.5×106次循环过程光纤光栅的波长变化规律可以做出以下合理解释:在前9×105次循环内激振频率接近结构的固有频率,随着振动次数的增加,叶片裂纹在快速扩展,叶片的固有频率也就随之降低,由于激振频率和固有频率之间出现差值,所以在相同加速度幅值下,不能使结构达到最大变形,也就造成了光纤光栅的波长变量在减小;当激振频率和固有频率的差值达到一定程度时,激振频率对结构裂纹增长速度的影响变逐步减小,致使光纤光栅的波长变量几乎不变,如图5中的9×105次循环到3.5×106次循环之间。

图5 疲劳实验中波长变量与时间的关系

图6 3.5×106次循环后试件的自振频率

为了证实上述推测的正确性,也为了加快裂纹的增长速度,在对试件激振3.5×106次循环之后,以图5中的垂直线为界,根据试件的实时固有频率,将激振台的激振频率改成了110 Hz再继续进行疲劳破坏试验。实验测试表明上述对激振频率、试件固有频率和光纤光栅波长变量的推断是合理的,因为从3.5×106次循环之后改用110 Hz激振频率,随着激振循环次数的增加,光纤光栅的波长变量又开始快速的降低。并且经过约5×106次循环后重新测得叶片的固有频率只有86.68 Hz(见图7),较试件裂纹扩展初期,现阶段裂纹叶片固有频率下降更快,也就是说裂纹的扩展速率更快。

图7 5×106次循环后试件的自振频率

采用上述对叶片裂纹疲劳断裂速率的测试方法,对完整叶片进行了测量,经过约5×106次循环后发现光纤光栅的波长变量并无明显改变,也未见叶片出现裂纹,也说明了激光加工的裂纹对叶片裂纹的快速扩展提供了最初的“引子”。这也就更说明了对设备裂纹进行检测的必要性,一旦出现裂纹,故障会迅速扩展,如不及时发现就可能会造成严重后果。

3 结论

文中根据现有在线疲劳测量的不足以及光纤传感技术的特点,提出了一种利用光纤光栅进行疲劳测量的方法,并进行了验证实验。结果显示:有0.1 mm深度裂纹构件的初始固有频率为123.3 Hz,经过5×106次循环后固有频率变为86.68 Hz;而无裂纹构件经过5×106次循环后频率未发生明显变化。

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徐刚(1985-),男,博士后,讲师。主要从事基于光纤传感的机械装备状态监测方面研究,xugang524@163.com;

梁磊(1963-),男,博士,教授。主要从事光纤光栅传感技术在重大工程结构和装备领域中的应用研究工作,l30l30@126.com。

Experimental Study of Fatigue Crack Based on FBG Cantilever Structure*

XU Gang1,2*,LIANG Lei2,QIU Lei2,LI Hongli1,MEI Huaping1,CAO Shan2
(1.School of Mechanical Engineering,Hubei Engineering University,Xiaogan Hubei 432000,China;2.National Engineering Laboratory of Fiber Optic Sensing Technology,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

Fatigue failure and cracks have significant impacts on mechanical structure and working life.In this pa⁃per,a vane and other cantilever type structures are designed by using fiber grating to measure fatigue,the effects of cracks on structural fatigue process are proved by contrasting experiments.The experimental results show that:the natural frequency of the complete structure of sample is 124.2 Hz,after 5×106cycles of trials,the natural frequency and the center wavelength of sample show no evident change;Meanwhile,the natural frequency of sample with a crack depth of 0.1 mm is 123.3 Hz,after 5×106cycles,the natural frequency becomes 86.68 Hz,this demonstrates the notable impact of crack on the fatigue life of mechanical structure.

fatigue;crack;cantilever structure;FBG;natural frequency

TH140,O346

A

1004-1699(2016)09-1361-04

项目来源:国家自然科学基金项目(61505150);湖北省教育厅科学技术研究项目(Q20152705);湖北工程学院科学研究项目(201513)

2016-02-25修改日期:2016-06-01

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