COMSOL仿真光纤光栅受力弯曲形变后的光谱变化

COMSOL仿真光纤光栅受力弯曲形变后的光谱变化

光纤光栅这玩意儿在结构健康监测里属于扛把子级别的存在。今天咱们聊点实操的——怎么用COMSOL模拟光纤被掰弯后的光谱漂移。别被专业名词吓到，其实就是看光纤变形后它的"光学指纹"怎么变，跟查案找线索差不多。

先撸起袖子建模型。打开COMSOL先别急着点鼠标，想清楚要搞哪种弯曲——三点弯还是纯弯矩？这里咱们用圆柱形夹具搞个弧形弯曲更贴近真实场景。建模时注意光纤直径125μm这个关键尺寸，手别抖输错小数点：

% 光纤几何建模
fiber = model.geom.create('fiber', 'WorkPlane');
fiber.geom.feature().create('wp1', 'WorkPlane');
model.geom('fiber').feature('wp1').set('quickplane', 'xy');
model.geom('fiber').feature().create('c1', 'Circle');
model.geom('fiber').feature('c1').set('r', '125e-6');  % 半径单位米

材料属性这块容易踩坑。光纤纤芯和包层的折射率差约0.01，用内置的硅玻璃材料改参数更省事。注意勾选"应力光学效应"——这货能把形变和光场变化耦合起来，相当于给模型装了双核处理器。

物理场设置要玩双飞：固体力学+波动光学。边界条件别傻乎乎全固定，弯曲端用滚动支座更科学。网格划分建议用扫掠法，轴向至少分20层才能捕捉形变梯度：

% 自定义扫掠网格
mesh = model.mesh.create('mesh1');
mesh.feature.create('sweep1', 'Sweep');
mesh.feature('sweep1').set('nsweep', '20');  % 轴向分割数
mesh.feature('sweep1').set('elemgrowth', '1.2');  // 渐变增长因子

求解器设置记得打开参数扫描，弯曲半径从10mm到5mm分5步走。遇到不收敛别慌，先把载荷步长砍半试试。后处理阶段重点关注布拉格波长偏移量，用这个公式抓数据：

δλ/λ = (1 - p_e)ε + (α + dn/dT)ΔT

实际操作时直接在结果里提取最大反射率对应的波长就行。跑完仿真记得对比文献数据，正常弯曲导致的波长漂移量级在0.1~1nm之间，要是算出5nm肯定哪里翻车了。

最后秀个仿真结果：当光纤弯成彩虹状时，反射谱不仅整体红移，还会出现双峰结构——这可不是设备抽风，而是弯曲导致光栅周期呈现梯度变化。搞监测的兄弟看到这种特征峰，立马能定位结构哪处弯得最销魂。

下次有人再说仿真就是花架子，直接把光谱对比图拍他脸上。实践出真知，这波操作下来，结构健康监测方案又能多件趁手兵器了。