融合光纤传感与压电感知的列车结构健康监测方法.pdf
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1、第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023融合光纤传感与压电感知的列车结构健康监测方法徐磊1,2,高广军1,彭畅2,王田天1,阳劲松1,谢劲松1(1.中南大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410075;2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266229)摘要:结构健康监测技术是提升列车运行可靠性、安全性,降低运营成本的变革性技术。针对列车转向架结构损伤诊断与寿命预测的需求,提出融合光纤传感与压电感知的转向架材料试样结构健康监
2、测方法,并构建基于光纤传感的结构载荷识别方法,利用光纤测量的应变信息反演结构所受的外部载荷,识别结果可为结构寿命预测提供载荷输入。同时,研究压电感知Lamb波信号在不同裂纹长度下的变化规律,基于相关系数法建立用于表征裂纹长度的损伤指数模型,实现对结构裂纹损伤萌生、扩展全过程的损伤诊断。依据所提出的列车结构健康监测方法框架,对压电传感器实时诊断的结构裂纹损伤情况建立仿真模型,使用光纤传感器反演得到的外部载荷对仿真模型进行加载。最后,开展列车转向架构架材料试样的疲劳试验,结果表明:基于光纤传感的反演载荷与真实载荷间的相对误差为1.30%,损伤因子与裂纹长度相关系数达到0.97。研究成果可推进结构健
3、康监测方法在高速列车上的工程化应用。关键词:高速列车;结构健康监测;光纤光栅;超声导波中图分类号:TH823;TP212.9 文献标志码:A 文章编号:1672-7029(2023)07-2763-10Train structure health monitoring method based on optical fiber sensors and piezoelectric sensorsXU Lei1,2,GAO Guangjun1,PENG Chang2,WANG Tiantian1,YANG Jinsong1,XIE Jingsong1(1.School of Traffic and
4、 Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.CRRC Qingdao Sifang Co.,Ltd.,Qingdao 266229,China)Abstract:Structural health monitoring technology is a revolutionary key technology to improve the reliability and safety of train operation and reduce costs.For the needs of
5、 structural damage diagnosis and life prediction of train bogies,a bogie material specimen structural health monitoring method integrating fiber optic sensing and piezoelectric perception was proposed.A structural load identification method based on fiber optic sensing was constructed,using the stra
6、in information measured by fiber optic to invert the external load applied to the structure.The identification results can provide load input for structural life prediction.At the same time,the variation law of the piezoelectric sensing Lamb wave signal under different crack lengths is studied,and a
7、 收稿日期:2022-08-05基金项目:青年人才托举工程资助项目(2020QNRC001)通信作者:王田天(1989),男,湖南长沙人,副教授,博士,从事高速列车结构安全研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221545铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月damage index model for characterizing the crack length is established based on the correlation coefficient method,which realizes the damage diag
8、nosis of the whole process of crack damage sprouting and expansion of the structure.Based on the proposed framework of the train structure health monitoring method,the structural crack damage situation diagnosed by the piezoelectric sensor in real time is simulated and modeled,and the external load
9、obtained from the inversion of the fiber optic sensor is used to load the simulation model,which can realize the evaluation of the remaining life of the structure.The relative error between the inverse load and the real load based on the fiber optic sensor is 1.30%,and the correlation coefficient be
10、tween the damage factor and the crack length reaches 0.97.The research results can promote the engineering application of the structural health monitoring method on high-speed trains.Key words:high speed train;structural health monitoring;fiber bragg grating;piezoelectric ceramic plate 转向架构架是高速列车最核心
11、的部件之一,是连接车体和轮对的重要承载部件。构架的受力情况十分复杂,它承受车体和轮对传递的垂向力和轮轨力,车下吊挂设备如牵引电机和齿轮箱带来的高频振动,以及由于轨道不平顺产生的扭曲力,构架的结构可靠性对列车的安全运行至关重要。然而,随着高速列车投入运营的年限逐渐增加,日常检修暴露出的构架失效问题愈发严重。金属疲劳导致的断裂失效,是构架最普遍的失效模式。因此,在列车日常运营中,准确检测构架的应力和损伤状态,及时评估危险程度,并评估构架的剩余寿命,对车辆服役安全具有重要意义。结构健康检测技术为解决以上问题提供了一种新思路:利用传感器及监测设备对关键结构的健康状态进行监测和评估,评估使用寿命,指导任
12、务决策和后勤维护,降低维护费用13。传感技术是结构健康监测技术的基础,也是核心。根据监测对象的不同,传感器类型的选择相应地也要有一定针对性。对于高速列车结构而言,工程人员主要关注的是结构是否出现损伤,并可以根据结构应力进行寿命评估,因此损伤和应力是高速列车结构健康监测的2个主要对象46。光纤布拉格光栅传感网络是复杂结构应变场检测的一种光学测量方法,在航空航天、压力测量、生物医学传感等领域应用广泛7。国外在基于光纤传感网络的复杂结构应变场检测技术方面的研究起步较早,主要集 中 在 英 国、瑞 士、日 本、德 国 和 美 国810。KIM11同时考虑剪切应力和轴向应力对测量的影响,研究金属包覆光纤
13、光栅传感器的应变传递和反射谱,利用有限元分析的结果对应变结果进行对比验证。光纤光栅传感网络在异形曲面结构上也得到了广泛的应用,曲道明等12分析光纤光栅波长漂移与柔性蒙皮弯曲曲率的关系,验证了变形机翼柔性蒙皮形状光纤传感实时监测技术的可行性。随着光纤光栅的制作技术日益成熟,国外诸多学者开始将其应用于航空航天、高速列车等大尺寸、复杂曲面结构的健康监测。SEBASTIAN等13采用有限元法分析侧孔封装中光纤布拉格光栅传感器的压力响应,优化侧孔封装参数,与裸光纤光栅传感器相比,压力灵敏度提高了近105倍。超声导波检测技术是一种近年来受到广泛关注的结构损伤状态无损监测技术。与传统的高频超声检测技术相比,
14、超声导波在波导结构中传播频率相对较低,能量衰减小,传播距离远,因此,超声导波传播可以覆盖波导结构的整个横截面。STASZEWSKI等14针对飞机复合材料结构容易受到冲击损伤影响的问题,在复合材料表面布置压电传感器,使用被动监测的方法采集压电传感器的冲击损伤响应信号,对复合材料表面冲击损伤进行定位研究。实验表明:采用被动监测的方法能够实现对材料冲击损伤的实时定位。LU等15将压电超声导波监测技术应用于铝板裂纹检测,得出裂纹长度与导波传感信号反射,以及裂纹长度与透射系数的关系,实现对铝板裂纹的定性定量分析。为推进结构健康监测方法在高速列车的工程化应用,面向结构裂纹损伤诊断与寿命预测的工程需求,本文
15、提出融合光纤传感与压电感知的转向架材料试样健康监测方法,研究Lamb波信号2764第 7 期徐磊,等:融合光纤传感与压电感知的列车结构健康监测方法与裂纹损伤之间的作用规律,建立基于损伤指数的裂纹诊断模型,利用基于光纤光栅应变监测数据的结构外部载荷反演方法,将载荷时间历程施加到结构有限元模型上,建立实测损伤状态和仿真裂纹尺寸的定量关系,为进一步研究基于监测数据的寿命评估奠定基础,方法流程如图1所示。1 光纤光栅应变监测方法当有一束中心波长(反射谱中最大反射率对应的波长)为的宽带光入射光纤 bragg 光栅(Fiber bragg grating,FBG)时到光栅上,经过光纤介质作用,反射回一束中
16、心波长为B的窄带光,其他光均无损耗透过。反射光的中心波长B与光栅折射率变化周期和有效折射率neff有关。该波长的变化与应变等变化量呈线性关系,因此FBG可直接感测应变,并据此制成光纤光栅传感应变计。应力引起的光纤光栅波长漂移可描述为:DB=2neffD+2Dneff(1)式中:表示光纤在应力作用下的弹性变形;neff表示光纤的弹光效应。当光纤光栅受到均匀轴向应力作用时,均匀轴向应变引起的波长漂移为:DBB=1-n2eff2p12-(p11+p12)vzz=(1-Pe)zz=Szz(2)式中:Pe=n2eff2p12-(p11+p12)v为有效弹光系数;S=1-Pe为轴向应变灵敏度系数。当光纤光
17、栅受到均匀横向应力作用时,公式(1)(2)可简化为:zz=kDB(3)式中:zz为应变;DB为波长相对变化量;k为灵敏度系数,在 1 550 波段,k0.82/pm,或 1/k1.22 pm/。2 基于压电陶瓷片的损伤诊断原理在待测结构的表面粘贴2个PZT压电陶瓷片,一端作为激励器,另一端作为传感器,如图 2所示。PZT压电陶瓷片的压电效应与逆压电效应,使之成为理想的激励与传感元件。为使激发频率能量更集中,激发电压常采用加Hanning窗的正弦波形式1617。高速动车组运营过程中的噪声信号频率一般小于1 000 Hz,为便于检测信号滤波,激发频率一般选取大于20 kHz的超声频率。开展基于La
18、mb波的损伤诊断过程中,首先根据运营经验、仿真试验等选取结构可能出现损伤的区域作为监测区域,并在这些区域上布置监测传感器。在列车运营状态下,利用传感器实时采集结构监测区域的传感器数据,并与基准数据对比,判断结构是否出现损伤。如果出现损伤则对损伤进行定位,并计算损伤尺寸。损伤诊断的具体流程如下。1)基准Lamb波信号采集基准数据是在结构健康状态下采集的一系列图1融合光纤传感与压电感知的转向架材料试样结构监测方法Fig.1Structure health monitoring method of bogie material specimen based on optical fiber sens
19、ors and PZT sensors2765铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月Lamb波信号,用于温度补偿和损伤指数计算。2)损伤指数计算通过对比损伤状态信号与基准信号的差异可以提取损伤指数,相关文献1617给出了不同的计算方法,本研究提出了基于相关系数的损伤指数提取方法。首先截取检测信号的第1个到达波包信号s(t),然后对s(t)信号进行希尔伯特变换:s(t)=s(t)*1t=1-+s()t-d(4)由上式的变换结果可以得到实信号s(t)的解析信号h(t):h(t)=s(t)+js(t)(5)h(t)的幅值g(t)=s2(t)+s-2(t)即为s(t)的包络。对包络信号g
20、(t)在时间区间ti,te积分,得到下述参数:E=titeg(t)dt(6)式中:ti,te分别为信号s(t)的起始与结束的时间。损伤指数D定义如下:D=|c-f|/c(7)式中:c和f分别由基准信号与检测信号计算得到。如果监测区域的某条检测路径D接近0,则可认为该路径上不存在损伤;如果D值不等于0,可根据D值的大小预测损伤程度。3 载荷反演基本理论由断裂力学基本理论可知,裂纹尖端的应力强度因子是准确评估裂纹扩展速率的前提。为解决上述问题,本研究提出一种基于实测应变反演载荷的应力强度因子获取方法,即通过应变测点反演结构载荷,根据监测得到的裂纹位置和长度,结合有限元仿真得到尖端应力强度因子。一个
21、复杂的具有N个自由度的线性系统结构动力响应可以通过以下2阶微分方程表示:Mu (t)+Cu (t)+Ku(t)=LF(t)(8)式中:u(t)Nd为系统响应(节点位移)节点位移;M,C和K为结构质量、阻尼和刚度矩阵;Nd是节点总自由度;F 为外部激励(载荷或者加速度)矢量;L为载荷分配矩阵,由元素0和1组成。将式(8)在模态空间展开,令:u(t)=q(t)(9)代入式(8)得到:q(t)+2q(t)+2q(t)=LF(t)(10)图2检测路径的激励信号与接收信号Fig.2Excitation and received signal of detection path2766第 7 期徐磊,等:
22、融合光纤传感与压电感知的列车结构健康监测方法式中:q为模态坐标向量;为特征值;为模态阻尼;为应变模态振型矩阵。由于复杂结构的有限元模型的节点自由度较多,直接求解式(10)存在较大困难,然而通过以上坐标变换,便可将式(10)解耦成与模态阶数对应的动力学方程,从而简化计算量。一般情况下,高阶模态对动力学响应影响较小,因此实际计算时,只需选取与结构损伤敏感的特定模态即可。令状态变量:Z=q qT(11)可将式(10)改写成状态空间的形式:Z=AZ+BF(12)其中:A=0I-2-2,B=0TLF根据控制理论,令:A=eADt,B=(A-I)A-1B(13)式中:t为离散时间间隔。通过以上推导,可得到
23、状态空间的递推公式:Zr+1=AZr+BFr(14)将式(14)用矩阵的形式表示出来,令:Z=Z1Z2Zn-AA2AnZ0,H=B00ABB0An-1BAB0,F=F0F1Fn-1(15)式(15)简写为:Z=HF(16)以上即为载荷反演的数学表达。由于工程上在某些情况下无法测量位移,只能得到应变,在这种情况下,仍然可以采用本研究中的载荷识别方法,仅需将式(9)中的位移模态振型替换为应变模态振型。4 试验与仿真研究4.1试样及加载工况说明转向架构架是高速列车的核心部件,是连接车体和轮对的重要承载部件。本研究在疲劳试验中选用转向架构架材料SMA490BW耐候钢,根据GB/T 30752008金属
24、材料 疲劳试验 轴向力控制方法设计制作试样,试样尺寸如图3所示。试样中部宽度较窄,保证试样在中间部位断裂,获得有效数据,提高试验成功率。试样长 185 mm,厚 6 mm,最窄截面处宽 10 mm,试样质量为0.604 kg。试样通过端部的2个小螺栓孔与振动试验台连接,用于施加垂向激励,另一侧通过大螺栓孔固定在水平地面上。试样如图4所示。试验采用的光纤光栅传感器如图5所示。采用的光纤光栅探头截面直径为 1 mm,长度约为12 mm,其中光纤光栅长度为10 mm,传感器的灵敏度系数为0.88 pm/。压电超声监测系统主要由压电传感器、系统主机和上位机软件组成,系统主机包括主控模块、单位:mm图3
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