裂紋是機(jī)械結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)、危害最大的一種損傷,對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)中的裂紋進(jìn)行準(zhǔn)確有效的定量檢測(cè)是保證機(jī)械裝備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、避免重大安全事故發(fā)生的重要保障。非線(xiàn)性超聲技術(shù)中的振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)（采用低頻振動(dòng)和高頻超聲兩種激勵(lì)源,簡(jiǎn)稱(chēng)為多源激勵(lì)）,大大提高了對(duì)裂紋檢測(cè)的靈敏度,解決了傳統(tǒng)的超聲方法檢測(cè)裂紋時(shí)受超聲波長(zhǎng)限制、對(duì)微裂紋和閉口裂紋難以識(shí)別等不足。目前非線(xiàn)性超聲技術(shù)的研究尚未成熟,多數(shù)研究局限于損傷的定性分析,定量檢測(cè)研究還在起步階段。利用裂紋調(diào)制的非線(xiàn)性特征研究機(jī)械裂紋的檢測(cè)方法,對(duì)提升機(jī)械裂紋檢測(cè)能力、評(píng)估機(jī)械結(jié)構(gòu)工作性能有著非常重大的意義。布拉格光纖光柵（Fiber Bragg Grating,FBG）具有高靈敏性、強(qiáng)適應(yīng)性、易于分布、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì),在機(jī)械裝備健康監(jiān)測(cè)方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿�。本文以鋁質(zhì)板材為對(duì)象,結(jié)合振動(dòng)聲調(diào)制技術(shù)和光纖光柵分布傳感技術(shù),提出多源激勵(lì)-光纖光柵分布傳感的機(jī)械裂紋定量檢測(cè)方法,旨在確定裂紋的位置和范圍。圍繞FBG對(duì)多源激勵(lì)的傳感特性和裂紋對(duì)多源激勵(lì)信號(hào)的調(diào)制機(jī)理兩大基礎(chǔ)問(wèn)題展開(kāi)研究,揭示FBG對(duì)應(yīng)變的傳感方向特性和裂紋調(diào)制產(chǎn)生的非線(xiàn)性現(xiàn)象,重點(diǎn)提出機(jī)械裂... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

振動(dòng)超聲同時(shí)作高頻超聲信號(hào)f2裂紋

27()02sinh()12cosh()LfmxdxkLLkLkLεαε==（2-28）根據(jù)式（2-26）和式（2-28）可知，粘貼型FBG所感知的應(yīng)變與基底應(yīng)變之間成正比，其應(yīng)變傳遞率與膠粘接層長(zhǎng)度和寬度有關(guān)。一旦確定了膠粘接層的長(zhǎng)度和寬度以后，其應(yīng)變傳遞效率即為常數(shù)，因此，可認(rèn)為FBG感知的應(yīng)變與對(duì)應(yīng)的基底應(yīng)變成正比。對(duì)碳鋼而言，泊松比約為0.3。式（2-24）中在[0°，90°]時(shí)為的單調(diào)遞減函數(shù)，假設(shè)粘膠層長(zhǎng)度和寬度都一致，則式（2-26）中也成比例單調(diào)遞減。因此，當(dāng)=0°時(shí)FBG受到的軸向拉應(yīng)變最大；隨著的增加，越來(lái)越小，當(dāng)73°時(shí)，衰減到0；當(dāng)繼續(xù)增大，遞減變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)表現(xiàn)為壓應(yīng)變；當(dāng)=90°時(shí)，F(xiàn)BG受到的軸向應(yīng)變絕對(duì)值應(yīng)為=0°時(shí)的0.3倍。因此，受不同的值影響，F(xiàn)BG受到的軸向應(yīng)變會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致FBG的中心波長(zhǎng)漂移量也隨之發(fā)生變化。利用Comsol仿真軟件進(jìn)行分析[115-117]。構(gòu)建一碳鋼等強(qiáng)度懸臂梁，長(zhǎng)度L=60mm，最大寬度b=24mm，厚度h=1mm。末端加載黃銅圓柱形質(zhì)量塊，質(zhì)量塊直徑8mm，高度4mm。在懸臂梁上表面粘貼FBG，光纖的有效長(zhǎng)度為6mm，直徑125μm，粘膠形狀設(shè)為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)度12mm，寬度0.4mm，厚度0.2mm，光纖的有效部分全部埋入粘膠之中并處于粘膠中心位置。其模型如圖2-7所示。模型中的各參數(shù)如表2-1所示。圖2-7仿真模型將θ設(shè)為一可變參數(shù)“theta”，單位：度。在“Study”中設(shè)置“ParametricSweep”，將“theta”變化范圍設(shè)置為[0，90]，步長(zhǎng)為10。光纖繞其幾何中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。采用固體力學(xué)模塊，在質(zhì)量塊的上表面施加“EdgeLoad”。在FBG幾何中心點(diǎn)放置探針，得到不同力作用于質(zhì)量塊時(shí)該探針點(diǎn)的應(yīng)變穩(wěn)態(tài)值，如圖2-8所示。對(duì)

28應(yīng)十條曲線(xiàn)。表2-1仿真材料參數(shù)對(duì)象碳鋼光纖膠質(zhì)量塊密度(kg/m3)7850245711008960泊松比0.30.170.350.35彈性模量E(GPa)20574.523.3110從如2-8中可以看到，當(dāng)相同的力以不同θ作用于FBG時(shí)，探測(cè)點(diǎn)得到的應(yīng)變值均不同。當(dāng)θ=0°時(shí)應(yīng)變值最大，隨著θ的增大，應(yīng)變值逐漸減小，當(dāng)θ=60°時(shí)，基本接近于零，隨著θ的繼續(xù)增大，應(yīng)變值又逐漸增大，但是與θ<60°時(shí)的應(yīng)變方向相反。仿真結(jié)果與理論分析較為吻合，F(xiàn)BG所受應(yīng)變均隨著角度θ的增大而單調(diào)遞減，只是FBG所受應(yīng)變?yōu)?時(shí)對(duì)應(yīng)的角度θ有所偏差。這是由于理論計(jì)算只考慮了FBG軸向應(yīng)變的作用，因此理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定偏差。圖2-8不同角度力作用下探測(cè)點(diǎn)應(yīng)變仿真值

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