基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法、系统及存储介质

1.本发明涉及列车结构裂纹监测技术领域，尤其涉及一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.轨道车辆、机械装备等含有大量的带孔结构在循环载荷的作用下容易产生裂纹损伤，任由裂纹扩展将导致结构功能失效，导致严重的安全性事故。现有的基于光纤布拉格光栅反射谱的裂纹定量诊断方法，通常是利用以反射谱中心波长、展宽为代表的单一特征值去建立裂纹定量诊断模型。由于光纤布拉格光栅反射谱在很大程度上依赖于应变场的准确性，可见，传统有限元方法获取应变输出的计算复杂、步骤繁琐，基于单一特征值的裂纹定量诊断监测不够全面。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法、系统及存储介质，以解决传统有限元方法获取应变输出的计算复杂、步骤繁琐，基于单一特征值的裂纹定量诊断监测不够全面的问题。
4.为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
5.第一方面，本发明提供一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法，包括：
6.确定待分析结构的制作材料的材料参数；
7.根据所述材料参数建立有限元仿真模型，基于所述有限元仿真模型模拟裂纹扩展情况，并获取光纤布拉格光栅传感器检测的裂纹扩展至不同长度下的结构应变数据；
8.采用传输矩阵法将所述结构应变数据重构为反射谱；
9.提取所述反射谱中的损伤敏感特征值和基准信号，所述损伤敏感特征值用于表示裂纹长度，所述基准信号用于表示无扩展裂纹；
10.将所述损伤敏感特征值作为输入，裂纹长度作为输出构建裂纹长度回归模型，并基于所述裂纹长度回归模型诊断裂纹。
11.第二方面，本技术提供一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断系统，包括设置于列车的目标结构处的m个光纤布拉格光栅传感器以及处理中心，m为正整数，所述处理中心与所述m个传感器连接，所述处理中心用于：
12.确定待分析结构的制作材料的材料参数；
13.根据所述材料参数建立有限元仿真模型，基于所述有限元仿真模型模拟裂纹扩展情况，并获取光纤布拉格光栅传感器检测的裂纹扩展至不同长度下的结构应变数据；
14.采用传输矩阵法将所述结构应变数据重构为反射谱；
15.提取所述反射谱中的损伤敏感特征值和基准信号，所述损伤敏感特征值用于表示裂纹长度，所述基准信号用于表示无扩展裂纹；
16.将所述损伤敏感特征值作为输入，裂纹长度作为输出构建裂纹长度回归模型，并
基于所述裂纹长度回归模型诊断裂纹。
17.第三方面，本技术提供一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述方法的步骤。
18.第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如第一方面所述的方法步骤。
19.有益效果：
20.本发明提供的基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法，使用扩展有限元方法模拟了循环加载条件下的裂纹扩展过程，利用传输矩阵法重构了光纤布拉格光栅反射谱，进一步确定裂纹扩展时裂纹扩展变化与光纤布拉格光栅反射谱的作用机理，提取反射谱的多个损伤敏感特征值，利用支持向量回归方法构建多个损伤敏感特征值与裂纹长度的裂纹长度回归模型，这样，可以使得构建的模型的准确性更高，实现模型的诊断结果与实际的裂纹长度相接近，并且克服了传统有限元法在裂纹扩展仿真中计算繁琐的问题，此外，该方法能够基于多个损伤敏感特征值进行全面的监测，实现对待分析结构更为全面的监测。
21.本发明提供的基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断系统，通过布设在结构关键位置的光纤布拉格光栅传感器可以准确感知由于裂纹造成的结构应变变化，通过提取光纤布拉格光栅反射谱中能够表征裂纹长度的特征值可以建立裂纹定量监测模型，实现对裂纹损伤的实时监测。
附图说明
22.图1为本发明优选实施例的基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法的流程图；
23.图2为本发明优选实施例的仿真试件尺寸示意图；
24.图3为本发明优选实施例的fbg3传感器位置的反射谱示意图；
25.图4为本发明优选实施例仿真中损伤特征变化示意图；
26.图5为本发明优选实施例的诊断结果示意图。
具体实施方式
27.下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
29.需要指出的是，由于高铁的运行环境复杂，各结构常会出现异物撞击的情况，此类冲击事件容易造成结构损伤，威胁行车安全，因此监测高铁各结构中的冲击事件十分必要。
由于光纤布拉格光栅反射谱在很大程度上依赖于应变场的准确性，传统有限元方法获取应变输出的计算复杂、步骤繁琐，基于单一特征值的裂纹定量诊断监测不够全面。基于此，本技术提供一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法。
30.请参见图1，本技术实施例提供一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法，包括：
31.确定待分析结构的制作材料的材料参数；
32.根据损伤敏感特征值材料参数建立有限元仿真模型，基于损伤敏感特征值有限元仿真模型模拟裂纹扩展情况，并获取光纤布拉格光栅传感器检测的裂纹扩展至不同长度下的结构应变数据；
33.采用传输矩阵法将损伤敏感特征值结构应变数据重构为反射谱；
34.提取损伤敏感特征值反射谱中的损伤敏感特征值和基准信号，损伤敏感特征值损伤敏感特征值用于表示裂纹长度，损伤敏感特征值基准信号用于表示无扩展裂纹；
35.将损伤敏感特征值损伤敏感特征值作为输入，裂纹长度作为输出构建裂纹长度回归模型，并基于损伤敏感特征值裂纹长度回归模型诊断裂纹。
36.本实施例中，采用光纤布拉格光栅(fiber bragg grating,fbg)传感器作为检测传感器。即以布拉格光栅作为敏感元件的光纤传感器，能够对温度和应变进行直接测量，同时也能够对与温度、应变相关的物理量进行间接测量。这样，光纤布拉格光栅反射谱对于应变场作用的敏感度极高。因此，本实施例中，通过分析反射谱的变化与裂纹长度之间的规律进行准确可靠的扩展监测，可以降低机械设备故障率、减少财产损失。
37.上述的基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法，使用扩展有限元方法模拟了循环加载条件下的裂纹扩展过程，利用传输矩阵法重构了光纤布拉格光栅反射谱，进一步确定裂纹扩展时裂纹扩展变化与光纤布拉格光栅反射谱的作用机理，提取反射谱的多个损伤敏感特征值，利用支持向量回归方法构建多个损伤敏感特征值与裂纹长度的裂纹长度回归模型，这样，可以使得构建的模型的准确性更高，实现模型的诊断结果与实际的裂纹长度相接近，并且克服了传统有限元法在裂纹扩展仿真中计算繁琐的问题，此外，该方法能够基于多个损伤敏感特征值进行全面的监测，实现对待分析结构更为全面的监测。
38.其中，所述采用传输矩阵法将所述结构应变数据重构为反射谱，包括：
39.假定均匀光栅的长度为l，在计算非均匀应变作用下的光纤布拉格光栅反射谱(fbg反射谱)时，将非均匀光栅均匀地分成n小段，n为正整数，同时满足λb为中心波长，表达式为：
40.λb＝2n
eff
λ；
41.式中，λ为光栅折射率变化周期，n
eff
为有效折射率。
42.将所述n小段中每一段的平均周期视为该段的等效周期，每一段的折射率视为该段的等效折射率；
43.将每段的参数代入耦合方程进行迭代计算，以得到整个fbg的反射谱，计算过程如下：
44.λi＝λ0(1 aε
zz
)；
45.式中，λ0初始光栅周期，ε
zz
为第i段的轴向平均应变，a为光栅应变系数，表达式为：
[0046][0047]
式中，n
eff0
为fbg自由状态下的平均有效折射率，ν为调制深度，p
11
和p
12
分别为有效光学应力张量分量，基于模态耦合理论，设定每个光栅段的光学传递矩阵产生一个2
×
2的t矩阵ti如下：
[0048][0049]
式中，ri和si是第i段前向传输模的振幅和后向传输模的振幅，ti表达式满足取下关系：
[0050][0051]
式中，δz为光栅段的长度，和κ分别是第i段的直流自耦合系数及交流自耦合系数，表达式分别为：
[0052][0053][0054]
式中，δn
eff
为折射率变化在光栅周期上的均值，定义γ为迭代计算得到所有光栅段的t矩阵t＝tnt
n-1
t
n-2
…
t2t1后，得到：
[0055][0056]
式中，r0、s0是首段前向传输模的振幅和后向传输模的振幅，r
l
、s
l
为末段前向传输模的振幅和后向传输模的振幅；
[0057]
计算出每个波长对应的fbg的反射率r如下：
[0058][0059]
式中，ρ为fbg的反射系数，t
21
与t
11
是计算反射率r的中间计算结果，分别表示t矩阵中的第2行第1个数和第1行第1个数。
[0060]
通过迭代计算得到整个波长区间内的fbg反射谱，并计算出不同裂纹长度下对应的fbg反射谱，得到整个裂纹扩展过程的反射谱。
[0061]
本实施例中，仿真可细分为两步，首先，通过abaqus软件模拟裂纹扩展，获得沿传感器位置处的应变数据；然后，使用传输矩阵法将应变转化为反射谱，进一步分析应变对反射谱的作用机理，提取特征等。这样，可以获得多组裂纹长度样本下的反射谱数据，相对试验而言成本低，且简单高效可行。
[0062]
其中，所述提取所述反射谱中的损伤敏感特征值和基准信号，包括：
[0063]
以波长偏移表征随裂纹扩展反射谱的变化，波长偏移可由有裂纹损伤下的中心波长减去基准谱的波长得到，提取反射谱中心波长λc的表达式满足如下关系式：
[0064][0065]
式中，λ表示反射谱波长，r(λ)表示反射率；
[0066]
以反射谱线在反射率值为l处的全宽度表征裂纹扩展过程中不同裂纹长度展宽的变化，其中展宽b的表达式满足如下关系式：
[0067]
b＝|λl1-λ
lend
|；
[0068]
式中，λ
l1
是第一个反射率为限值l对应的波长，与λ
lend
是最后一个反射率为限值l对应的波长；
[0069]
以波峰数表征裂纹扩展过程中不同裂纹长度波峰数的变化；
[0070]
以反射谱线与坐标横轴所围成形状的面积表征裂纹扩展过程中不同裂纹长度反射谱的面积变化，其中，归一化反射谱的面积s表达式满足如下关系式：
[0071][0072]
式中，λ1是反射谱波长范围的第一个波长，λ
en
d是反射谱波长范围的最后一个波长，代表反射谱线；
[0073]
以无裂纹基准反射谱线与裂纹扩展过程中每个反射谱的重合部分表征裂纹扩展过程中不同裂纹长度重合面积的变化，其中，归一化重合面积sc表达式满足如下关系式：
[0074][0075]
式中，λs是反射谱线波长重合范围的第一个波长，λe是反射谱线波长重合范围的最后一个波长，代表重合反射谱线。
[0076]
以无裂纹基准反射谱线与裂纹扩展过程中的损伤谱表征裂纹扩展过程中不同裂纹长度相关系数的变化，其中，相关系数cm的表达式满足如下关系式：
[0077][0078]
式中，ρ0为基准谱反射率向量，ρm为损伤谱反射率向量，n为反射率向量的长度，为相对于损伤谱的任意波长偏移，k为反射率向量中反射率的个数k＝1,2,...,nr；
[0079]
以分形维数表征裂纹扩展过程中不同裂纹长度反射谱啁啾现象的显著程度，其中，分形维数fd采用数盒法进行计算，fd的表达式满足如下关系式：
[0080][0081]
式中，r为划分图像的格子边长，r＝2i，i＝0,1,2,...,10，m为格子数，最后绘制出log(1/r)-log(m)的线图，分形维数fd的计算是取对数图中两点计算斜率。
[0082]
需要说明的是，分形维数起到对复杂几何图形不规则性的度量作用。本实施例中，选取数盒法对反射谱的分形维数进行计算，主要反应了反射谱啁啾现象的显著程度，其中，数盒法定义直观，计算简洁高效。
[0083]
采用数盒法计算时，首先将坐标横轴与纵轴的比例设为1，进行正方形反射谱的绘制；随后去掉图像的坐标轴与边框得到单纯的反射谱图线；将整个正方形图像用边长为r的小格划分，计算出格子中反射谱曲线包含部分与不包含部分的比例大于一定值的格子数m；最后绘制出log(1/r)-log(m)的线图。分形维数的计算是取对数图中两点计算斜率，考虑到当格子尺寸越小时，网格划分越细致，对于反射谱的分形描述越精确，因此，本实施例中选取r＝20和r＝21两点计算斜率，这样，采用数盒法计算反射谱的分形维数，简单直接，计算效率高。
[0084]
其中，所述将所述损伤敏感特征值作为输入，裂纹长度作为输出构建裂纹长度回归模型，包括：
[0085]
获取裂纹长度样本数据集{(xi,yi|i＝1,2,
…
,n}，n为不同裂纹长度的样本个数，xi，yi分别为输入量和输出量，其中xi＝{x
i1
，x
i2
，
…
，x
ip
}为影响裂纹长度yi的损伤敏感特征值，yi是第i个样本的裂纹长度真实值，p为影响yi的特征类型个数，其中，裂纹长度的估计函数满足如下关系式：
[0086]
f(x)＝ωφ(x) b；
[0087]
式中，ω为权重，φ(x)为高维非线性函数，b为偏置；
[0088]
求解ω和b需要最小化优化模型并引入松弛因子ξ如下：
[0089][0090]yi-ωx
i-b≤ε ξi；ωx
i-yi b≤ε ξ
i*
；
[0091]
式中，c为惩罚因子，ξi、ξ
i*
为松弛变量，ε为损失函数，n为训练样本个数，引入αi,拉格朗日算子建立拉格朗日函数求解对偶问题得到的裂纹长度回归模型满足如下关系式：
[0092][0093]
式中，αi、为第i个样本对应的拉格朗日算子，k(xi,xj)为径向基核函数，xi,xj表示训练样本中的任意两个样本，对于给定的n个裂纹长度训练样本(xi,i＝1,2,...,n)，每一个训练样本对应一个由七个特征(波长偏移、展宽、反射谱面积、1-重合面积、波峰数、1-相关系数、分形维数)构成的特征向量，对训练样本中任意两个裂纹长度样本{xi,xj,i＝1,2,...,n；j＝1,2,...，n}(用xj表示另一个裂纹长度样本)带入径向基核函数计算k(xi,xj)。
[0094]
其中，所述方法还包括：使用交叉验证法对惩罚因子c和径向基核函数的方差g进行优化，以优化所述裂纹长度回归模型。最后，以r2做评价标准，然后应用裂纹长度回归模型对裂纹长度进行诊断。
[0095]
综上，本技术通过提取多个特征值建立多个特征与裂纹长度之间的定量关系模型。具体地，在利用支持向量回归方法建立多特征与裂纹长度的定量关系时，从所有样本数据中选择部分样本作为训练样本，训练多特征-裂纹长度支持向量回归模型，训练精度取决
于惩罚因子c和径向基核函数的方差g的选择，使用交叉验证法可逐次迭代选择c和g，得到最优的模型参数，同时以拟合优度r2的大小用来评价训练模型的优劣。最后用剩下的测试样本可对裂纹长度进行诊断。这样，可以提升诊断效率和诊断精度。
[0096]
下面，以某一仿真示例进一步说明本技术的方法步骤。
[0097]
本示例中，采用abaqus有限元仿真软件，模拟裂纹扩展提取传感器长度位置处的应变。其中，试件材料力学性能参数如表1所示，传感器参数如表2所示。
[0098]
表1试件材料力学性能参数
[0099][0100]
表2传感器参数
[0101][0102][0103]
请参见图2，图2为试件板传感器尺寸和传感器位置等示意图，图2中，1表示fbg1；2表示fbg2；3表示fbg3；4表示fbg4；5表示fbg5；6表示fbg6。通过在平板中心开直径10mm的孔，引入3mm的预裂纹来触发疲劳裂纹扩展。对试件施加恒幅载荷，最大加载幅值为80mpa，最小幅值为8mpa，加载频率5hz，试件顶部边界固定，底部施加80mpa的均匀拉伸载荷。
[0104]
在仿真中对整个试件板范围进行线性三角形元素组成的网格进行离散化，在预期裂纹扩展的试样的右中心部分细化网格，初始裂纹尺寸为3mm。采用高阶扩展有限元计算沿fbg1-6传感器的各种裂纹尺寸的应变分布，然后用传输矩阵法将应变重构为反射谱。
[0105]
请参见图3，图3为fbg3传感器位置的反射谱，共提取了46组裂纹样本数据，随着裂纹扩展，反射谱产生位置偏移啁啾现象。请参见图4，图4为提取的损伤特征变化，从图4中可以确定特征随裂纹长度变化的规律更加明显，这些特征均不相同，把这些单一特征结合可以更为全面的监测结果。
[0106]
以样本反射谱的特征值作为神经网络的输入，对应的裂纹长度作为输出，建立多损伤敏感特征与裂纹长度之间的关系，实现对对裂纹长度的监测。对于每一个fbg，46组裂纹样本数据中随机取36组做训练样本，每组样本含有7个特征值，作为xi输入，xi为每传感器对应的中心波长、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、相关系数的7个输入量，yi为对应样本裂纹长度的1个输出量，输入svr神经网络进行训练，使用交叉验证法对惩罚因子c和核函数g进行优化。剩余10组做测试样本，将所有传感器融合的
裂纹长度诊断值及误差如表3所示，示意图如图5所示：
[0107]
表3裂纹长度诊断值及误差
[0108][0109][0110]
根据表3和图5可以确定，诊断裂纹长度与实际裂纹长度结果非常相近，可见，本技术的诊断结果较为准确。
[0111]
本技术还提供一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断系统，包括设置于列车的目标结构处的m个光纤布拉格光栅传感器以及处理中心，m为正整数，所述处理中心与所述m个传感器连接，所述处理中心用于：
[0112]
确定待分析结构的制作材料的材料参数；
[0113]
根据所述材料参数建立有限元仿真模型，基于所述有限元仿真模型模拟裂纹扩展情况，并获取光纤布拉格光栅传感器检测的裂纹扩展至不同长度下的结构应变数据；
[0114]
采用传输矩阵法将所述结构应变数据重构为反射谱；
[0115]
提取所述反射谱中的损伤敏感特征值和基准信号，所述损伤敏感特征值用于表示裂纹长度，所述基准信号用于表示无扩展裂纹；
[0116]
将所述损伤敏感特征值作为输入，裂纹长度作为输出构建裂纹长度回归模型，并基于所述裂纹长度回归模型诊断裂纹。
[0117]
上述的基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断系统，通过布设在结构关键位置的光纤布拉格光栅传感器可以准确感知由于裂纹造成的结构应变变化，通过提取光纤布拉格光栅反射谱中能够表征裂纹长度的特征值可以建立裂纹定量监测模型，实现对裂纹损伤的实时监测。
[0118]
本技术还提供一种基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。该基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断系统可以实现上述的基于光纤布拉格光栅的裂纹诊断方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
[0119]
本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的方法步骤。该可读存储介质可以实现上述的方法的各个实
施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
[0120]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。