工程科学与技术，国际期刊22（2019）391完整文章用于关键结构Ahmed HadyiaSahara，Ali GüngörKarabük大学，工程学院，冶金，材料工程系，土耳其阿提奇莱因福奥文章历史记录：2018年6月12日收到2018年7月25日修订2018年8月13日接受在线发售2018年8月25日保留字：ANSYS疲劳传感器健康监测V型缺口传感器A B S T R A C T本文的主要观点包括描述设计，建议改进的V形切口传感器，评估应力预测的关键部件（如桥梁的方式）的故障，通过使用ANSYS模拟来估计通过V形切口的几何形状的被动传感器在结构中的不同深度的应力。在这项研究中开发的传感器由六个梁与相对的边缘V型切口，已被设计成平行于施加的拉伸载荷的钢结构。当偏置值在3.2e-2mm范围内时，Von-Mises应力值在此点之后降低了0.214e-10 Pa，而位移值达到了7.824e-2 mm。这些结果与不同的V形切口参数有关，包括角度取向、切口深度、力学性能、边界条件和施加的拉伸载荷，表明Von-Mises应力随着载荷比的增加而增加此外，本配置中传感器臂数量的增加可以容纳额外的凹口，这可能倾向于在更多的加载循环下降低应力范围©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍疲劳被认为是大多数结构和部件失效的常见原因疲劳过程通常开始于结构、部件或材料中的微小甚至微观缺陷/缺陷，随后在应力或其他应力情况下继续增长，直到成为宏观裂纹[1]。结构健康监测（SHM）是目前普遍提出的一种有效的疲劳损伤诊断方法重要的设计标准是疲劳传感器的疲劳耐久极限，其必须小于关键结构或其部件的疲劳耐久极限。疲劳损伤检测传感器主要用于监测重要结构和机械部件中任何结构损伤的累积，这些部件承受巨大的周期性载荷，直到它们失效。压电传感器是一种MEMS器件，其使用压电效应来测量诸如压力、加速度、温度、应变或力等属性的变化，并将它们转换为电荷。此外，缺口试样的弯曲疲劳寿命的评估进行了研究与V形切口的几何形状的不同的角度方向和切口深度。为此目的，*通讯作者。电子邮件地址：ahmed. yahoo.com（A. Hadyia）。由Karabuk大学负责进行同行审查使用有限元分析（FEA）进行实验[2]。在本研究中，使用传感器的工作与电子传输单元的帮助下，报告过去的疲劳损伤在几个关键的疲劳敏感点。机电一体化疲劳传感器由两个主要部分组成，即机械和电子。机械部分使用了一些特殊的和肠道设计的梁与V型切口，几何形状，这是安全的，而传感器感测的疲劳寿命的关键结构部件。电子部件收集信息并传输疲劳历史。该系统放置在疲劳敏感表面上，并且它们可植入疲劳敏感的机械和结构位置，例如直升机的旋转轴和齿轮，其用MEMS技术蚀刻[3由焊接技术研究所（TWI）管理的疲劳传感器[6]已开发用于焊接钢结构。研制了一种用于钢结构焊接接头疲劳损伤监测的工程结构中的V型缺口会显著增加结构的失效风险。为了保证某些结构的安全运行，需要彻底了解应力，应力存在于缺口尖端周围[7]。V形切口通常与应力集中器类似地执行。它与缺口尖端半径和缺口角度直接相关。这种类型的奇异应力会导致断裂或至少是现有裂纹的扩展;因此，断裂特征和应力奇异性对于研究V形切口尖端非常重要[8]。不幸的是，为识别疲劳裂纹而创建的大部分策略并不https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.08.0072215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch392A. Hadyia，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）3912¼“不，不出于同样的原因，已经提出了用于监测重要结构/机械部件的结构健康的V形切口疲劳传感器。本文介绍了一种用于结构件健康状态监测的智能疲劳传感器。重要的步骤包括智能传感器设计、传感器调查、传感器输出分析和传感器验证[10]。研究了与V形切口相关的参数，如角度方向、切口深度、力学性能、边界条件和施加载荷等的影响。2. 材料和方法为了检查断裂表面上的应力分布，焊接结构形状的应用。通常，此值基于尺寸。本文对一种新结构的传感器进行了实验研究。对于所提出的方法，使用六个梁，如图所示。 二、传感器的宽度、高度和厚度以及用于该传感器的尺寸如表1所示（参见表2）。我们将钢用于传感器结构，一侧具有固定的边界条件，另一侧施加拉伸载荷。3. 数学建模传感器的钢材料用于估计V形切口周围的应力，其可以通过以下等式获得平均应力：采用有限元法利用ANSYS程序进行分析，对计算的应力值进行交叉校核。通过ANSYS的应力分析还表明，最大应力值出现在存在卸荷槽的梁的横截面中的变化附近在ANSYS模拟中，rm<$rmaxrmin应力范围rr¼rmax-r min应力振幅：ð1Þð2Þ由36号钢制成，设计成平行于所施加的张力rrrrmax-rmin结构的负荷。图1显示了疲劳寿命相对于V型缺口传感器几何形状的百分比。如图1所示，压电传感器被定义为某些材料由于机械变形而产生电荷的能力;这些传感器安装在结构。在这个模型中，五种不同命运的情况a¼2¼应力比：RRminRmax2ð3Þð4Þ生命被利用了。使用循环载荷进行ANSYS计算，循环载荷取决于V形切口几何形状（如角度方向）、切口深度、边界条件和传感器施加的拉伸载荷。另一方面，在ANSYS模拟中，采用单元和节点解在单元解中，我们使用了8795个单元，而在节点解中使用了18，474个节点。在这两种解决方案中，使用了Solid 5型元素，包含3D磁、电、热、压电和结构模拟。Solid 5有八个节点，每个节点有六个自由度。自由度使用位移（UX、UY和UZ）、TEMP、VOLT和MAG。抗性率最低为5%，最高为90%。这意味着故障从5%开始。该值取决于具有V形切口形状的传感器的几何形状。该值的增加与钢的疲劳极限Sf1/4：5 Su for Su61400MPa200ksir 5SuP 1400 MPa，200ksim，600 MPa，Sf式中，Sf为疲劳强度，Su为极限强度。4. 结果和讨论本研究的所有研究参数和结果与参考文献[2]进行比较，以检查断裂表面上的应力分布。通过该系统，除了使用ANSYS软件之外，还遵循有限元法（FEM），ANSYS软件是分析和交叉检查所有计算应力值的有价值的工具，如图所示。表3和表3。Fig. 1. 传感器的一般视图A. Hadyia，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）391393图二. V形切口尺寸。表1传感器尺寸。宽度（mm）高度（mm）厚度（mm）0.11 0.15 0.001表236号钢屈服强度和Von-Mises应力的比较。[2]的文件。从表3可以看出，我们的模拟给出了更好的结果。表3中给出了研究中使用的传感器的机械性能。图4示出了在y方向上的传感器变形，其取决于在相同方向上施加的张力负载。组件的上半部分和下半部分是对称的。许多研究人员的研究结果[2]也支持这些结果。该结果表明，所准备的模型是可操作的，并且按照预期正确工作[1，8，12，13]。图图5示出了y方向上的位移相对于传感器的原始几何形状之间的关系。如图所示，存在一些实际应变，特别是在V形切口区域。图三. 缺口杆的Von-Mises应力模型[2]。屈服强度ry冯-米塞斯强调1Von-Mises应力2（参考（二）2.5E+8 Pa0.0912 E +10 Pa5.953E+8帕394A. Hadyia，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）391表3钢传感器的机械性能A 36[11].杨氏体积模量剪切模量拉伸极限强度拉伸屈服强度（帕）（帕）（帕）（帕）（帕）2.0e+0111.6667 e +117.69 3e+104.6e+0082.5e+008强度系数（Pa）延性系数延性指数循环强度系数（Pa）循环应变硬化指数9.2e+0080.213-0.471.e+0090.2见图4。 y方向的传感器变形图五. y方向的传感器变形A. Hadyia，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）391395传感器应力强度如图6所示。与圆1中的低应力强度相比，圆2中的应力强度高。这可以归因于许多参数，如图4中所讨论的。图图4和图5表明，尽管最大应力施加在具有最大缺口的右侧，但最大应变比从左到右发生。这种情况很可能与切口的横截面积有关。如图6所示，如圆圈1所示的梁具有比圆圈2所示的梁更高的疲劳寿命，因为梁2具有高应力集中，这取决于这种情况。本文的主要内容是利用ANSYS的数值解来描述基于Von-Mises准则的应力分布。冯-米塞斯应力，也称为胡贝尔应力，占一般三维应力状态的六个应力分量。Von-Mises应力用以下方程描述：表4Von-Mises应力在传感器中产生。见图6。 传感器应力强度。传感器1234 5678910Von-Mises应力（Pa）0.0310.0100.0200.030 0.0400.0500.0600.0710.0810.091E+8E+10E+10E +10E+10E+10E+10E+10E+10见图7。 V形切口中的Von-Mises应力分布396A. Hadyia，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）391-¼ð Þrvm<$q0：5r1-r2r32r3-r12最大Von-Mises应力破坏准则是基于标量能量理论或最大畸变能理论。该理论指出，韧性材料在Von-Mises应力等于应力极限时开始屈服。在大多数情况下，屈服强度被用作应力极限。根据Von-Mises失效准则，安全系数（FOS）表示为：FOSr限值8rvm当传感器的Von-Mises应力值小于A36钢梁的屈服强度值250 MPa时，结构设计是安全的。然而，如果冯-米塞斯应力大于材料的屈服强度，结构设计是不安全的，破坏将从这一点开始，如表4和图5所示。7 .第一次会议。冯-米塞斯应力法是一种安全的方法，因为设计工程师发现它很有用，如图8所示。根据给定的信息，可以预测，当最大Von-Mises应力值高于材料的屈服强度时，设计可能会失败。它可靠地执行在大多数情况下，特别是在具有类似传感器应力强度的韧性材料中[14]。图图9示出了当偏移量在3.2e-2 mm范围内时，位移的增加如何导致Von-Mises应力增加到最大值，然后当位移值达到7.824e-2 mm时，Von-Mises应力值在该点之后减小到2142.977MPa。这些见图8。 传感器Von-Mises应力。见图9。 梁1的Von-Mises应力。A. Hadyia，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）391397见图10。 梁6的Von-Mises应力。结果与不同的V形切口参数有关，如角度方向、切口深度、机械性能、边界条件和施加的拉伸载荷。图如图10所示，由于前面提到的原因，梁6具有比梁1至5显著更低的Von-Mises应力。传感器安装调整和当前模型传感器外形尺寸的缩小也是必要的，以将传感器连接到更靠近可能存在高应力集中的部件的结构细节处许多研究人员的发现[13-在图10中，梁6具有比梁1低的Von-Mises应力。根据该行为，由于传感器的V形凹口的不同设计几何形状，故障在梁1之后开始这意味着边缘上的裂缝本质上不是最危险的。给出了缺口张开角提供最小破坏载荷的条件，而缺口越深许多研究人员的研究结果[1，17，18]支持这一因素。本文中提出的结果揭示了对平行缺口臂疲劳传感器的行为和多个应力估计的总体趋势的重要见解，这承诺并重申了具有能够跟踪任何钢结构中的损伤累积的结构传感器的可能性在这项研究中获得的结果揭示了平行缺口臂疲劳传感器的行为，以及寿命预测的总体趋势，这表明了能够跟踪金属中任何累积损伤的结构传感器的可能性结构[19]。结果是从一系列高频疲劳应力中获得的，在这种情况下，裂纹长度是用涡流裂纹检测仪测量的这些发现与使用模拟从位于真实试样中我们还审查并确定了用于远程监测具有疲劳敏感细节的钢桥的商业可用技术[14，2]。如前所述，使用FEA和ANSYS计算最大应力。结果表明，曲线显示总应力寿命基于试样的模拟，考虑到缺口尖端的实际应力，该模拟也可用于预测缺口试样的寿命模拟结果表明，在大多数情况下，与参考值相比，预测寿命小于预期寿命。二、5. 结论可以说，通过疲劳寿命分析ANSYS软件对给定试样产生的模拟可用于预测缺口试样的疲劳寿命所获得的预测将基于缺口尖端处产生的实际应力。根据数值模拟结果，可以得出以下几点：1. 基于Von-Mises应力模拟的ANSYS程序对缺口效应给出了很好的预测2. 缺口的深度和位置对疲劳寿命有影响3. 裂缝位置处的温度变化提供了在裂缝发生之前找到裂缝位置的良好预测。4. 通过ANSYS应力分析表明，最大应力值发生在梁截面变化处附近5. 结果表明，随着梁切口深度的增加，梁的应力值逐渐增大。这意味着失效取决于材料的机械性能、施加的拉伸载荷、边界条件和V形切口参数，例如角度方向和切口深度。确认这项研究的作者感谢我们祖国的资金支持，我们感谢系里的教员感谢Karabük大学冶金与材料工程学院的支持与合作。398A. Hadyia，A.Güngör/工程科学与技术，国际期刊22（2019）391引用[1] S. Gokanakonda，M.K. Ghantasala，D. Kujawski，结构健康监测的疲劳传感器：原型传感器的设计，制造和实验测试，结构。控制健康监测。 23（2016）237-251。[2] Q. Bader，E.K.梁文龙，疲劳寿命与应力比的关系，硕士论文。 J. Sci. Eng. Res. 5（2014）1145-1154。[3] Z.A. Chaudhry，T.约瑟夫，F.P.Sun，C.A.张文龙，压电致动器/传感器贴片对飞机局部健康监测的研究，北京：机械工程出版社。95（1995）268-276。[4] J. - B. Ihn，F.- K.张，用压电片监测铆接搭接接头的多裂纹生长，无损检测健康监测。诊断学（2002年）29-40。[5] B.P. Wijesinghe，S.A.Zacharie，K.D.J.D.米什 张文，梁文忠. 桥梁工程18（2011）297-307。[6] Y. Zhang，P. Tubby，S.张文，焊接钢结构疲劳寿命测试仪的研制，中国工程机械学会，2006。[7] M.A. Maleque ， M.S. Salit ， 材 料 的 机 械 失 效 ， 在 ： 材 料 选 择 和 设 计 ，Springer，2013年，pp.17比38[8] M. Saravani，M. Azizi，使用光弹性方法研究V型切口上的裂纹参 数 ， IS R NMec h . En g . vol （20 1 1 ，20 1 1 ） 。.[9] S.A. Zacharie，“原位疲劳传感器表征"，M.S. Thesis（2011）.[10] G.奥沃拉比岛奥凯奥因岛Bamiduro，A. Olasumboye，H. Whitworth，缺口尺寸和材料微观结构对缺口部件缺口敏感性因子的影响，Eng. Fact。145（2015）181-196。[11] Y.I. Noy ， W. J. Horrey ， S. M. Popkin ， S. Folkard ， H. D. Howarth ， T.K.Courtney，疲劳和安全研究的未来方向，Accid。Anal. Prev. 43（2011）495-497。[12] M.L. Dunn，W. 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