基于电信号感应疲劳系统检测及表征裂纹演化的方法

技术领域

本发明涉及表征裂纹扩展及其应变演化的方法技术领域，更具体的说，涉及基于电信号感应疲劳系统检测及表征裂纹演化的方法。

背景技术

深水平台结构中存在一些高应力的局部复杂结构，是疲劳危险部位，对疲劳设计及验证提出更高的要求，裂纹萌生及扩展是导致设备失效的主要原因。工程应用中，微裂纹张开角度、长度较小，检测困难，同时海洋平台较大体积引起的载荷、桩腿承载不均以及在恶劣环境载荷作用下的剧烈振动等问题，更加难以清晰捕捉微裂纹。在高频疲劳实验过程中同样因振动过快，难以观察裂纹萌生及扩展，普通工业相机因曝光时间、快门速率、拍摄频率等参数不能得到数字图像相关技术(DIC)所需要的清晰图像。高速摄像机虽能满足上述参数，但其放大倍数不足以直接观察微裂纹萌生，需引入价格昂贵的长工作距离显微镜进行观察判断裂纹萌生，增加成本；由于裂纹萌生时间过程较长，高速摄像机存储空间有限导致其拍摄时间极其有限，不能采用全过程观察裂纹萌生及记录裂纹扩展，且不能定量捕捉疲劳波峰波谷处工件图像。

目前对材料微裂纹扩展及其应变计算主要方法是有限元分析方法，该方法需要基于长时间运算且需要合适的模型及材料参数，而在实际应用中，结构件通常会有孔、缺口或其他几何形状的突变，破坏原本均匀的应力模式，导致有限元与实际应用具有一定的误差。此外，近年国内出现通过扫频实验获得共振频率，设定频闪光源的CCD快门触发频率得到裂纹尖端应变场的研究，但需通过数值拟合后进行二次采集才能获得裂纹应变场，步骤复杂，且未对散斑面进行特殊化制备处理，在高频疲劳过程中喷漆散斑易掉落，严重影响DIC技术所得结果，不易推广使用。

因此，提供一种基于电信号感应疲劳系统检测及表征裂纹演化的方法，精确定量获得疲劳试样波峰波谷处裂纹扩展及其应变云图，为检测海洋平台结构件提供重要理论依据及工业价值，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了基于电信号感应疲劳系统检测及表征裂纹演化的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于电信号感应疲劳系统检测及表征裂纹演化的方法，包括以下步骤：

S1、疲劳试验所需试样制备步骤；

S2、疲劳试验开始准备步骤；

S3、疲劳试验中试样疲劳数据采集步骤；

S4、分析步骤S3获取的数据，获得试样表征裂纹演化趋势。

优选的，步骤S1的具体内容为：通过线切割技术制备实验所需试样，试样前后表面用砂纸打磨平整，利用超声清洗去除试样表面线切割残留污渍，清洗时间5～10分钟，在试样前表面制备抛光金相面，在试样后表面制备高粘度、高对比度散斑面。

优选的，高粘度、高对比度散斑面制备方法的具体内容为：将试样待制备表面放置在丙酮液上方8～10秒后移开，然后在表面喷洒丙烯酸漆，制得高粘度、高对比度散斑面。

优选的，高粘度、高对比度散斑面制备方法的具体内容为：将试样待制备表面放置在丙酮液上方9秒后移开，然后在表面喷洒丙烯酸漆，制得高粘度、高对比度散斑面。

优选的，步骤S2的具体内容为：采用电信号感应疲劳系统进行疲劳试验，将数码显微镜与试样分别固定于电信号感应疲劳系统中的高频疲劳机上，数码显微镜对应试样设置，固定设置结束后，对高频疲劳机进行疲劳试验参数设定。

优选的，步骤S3的具体内容为：通过裂纹监测系统监测试样裂纹萌生过程，当监测软件中裂纹长度为100～150μm时，开启电信号采集输出配件采集并转化电压值，经电信号感应疲劳系统获得步骤S1中试样高粘度、高对比度散斑面的图像。

优选的，步骤S3中，开启电信号采集输出配件的方式为人工开启或自动触发开启。

优选的，步骤S4的具体内容为：利用DIC技术分析并获得高频疲劳实验单次循环内波峰处应变-位移场、波谷处应变-位移场以及试样临界断裂时的裂纹尖端应变场。

优选的，利用高速摄像机瞬时、定量获取试样疲劳波峰和波谷处图像。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了基于电信号感应疲劳系统检测及表征裂纹演化的方法，通过数码显微镜可动态监测裂纹萌生时刻；无需停止疲劳实验条件下，基于电信号感应原理利用高速摄像机精准、无延迟瞬时记录裂纹扩展的全过程，实现了高频疲劳裂纹扩展精准表征，最大程度还原疲劳裂纹扩展及其应变演化动态过程，通过DIC技术获得疲劳实验波峰波谷处准确的应变-位移云图，整个测试过程精度高、效率高，应用范围广，具有广阔应用前景和经济效益，海洋工程材料性能评估提供重要理论依据及实践基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明基于电信号感应疲劳系统检测及表征裂纹演化的方法流程图；

图2为本发明所采用电信号感应疲劳系统结构示意图；

图3为实施例2中SENT试样结构示意图；

图4为实施例中抛光金相面示意图；

图5为实施例中高对比度散斑面示意图；

图6为实施例中监测的裂纹长度

图7为单次循环内试样波峰处的应变-位移云图，其中，图7.1为单次循环内试样波峰处的应变云图，图7.2为单次循环内试样波峰处的位移云图；

图8为单次循环内SENT试样波谷处的应变-位移云图，其中，图8.1为单次循环内SENT试样波谷处的应变云图，图8.2为单次循环内SENT试样波谷处的位移云图；

图9是实施例中SENT试样断裂保护时裂纹尖端应变场；

其中，1-电信号采集输出配件，2-同步线，3-高频疲劳机，4-电缆线，5-信号采集控制器，6-BNC接头，7-photron高速摄影机，8-数码显微镜，9-试样，10-USB数据线，11-计算机工作站。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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做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。

实施例1

参照附图1所示，本实施例公开了基于电信号感应疲劳系统检测及表征裂纹演化的方法，包括以下步骤：

S1、疲劳试验所需试样制备步骤；

S2、疲劳试验开始准备步骤；

S3、疲劳试验中试样疲劳数据采集步骤；

S4、分析步骤S3获取的数据，获得试样表征裂纹演化趋势。

在一个具体实施例中，步骤S1的具体内容为：通过线切割技术制备实验所需试样，试样前后表面用砂纸打磨平整，利用超声清洗去除试样表面线切割残留污渍，清洗时间5～10分钟，在试样前表面制备抛光金相面，在试样后表面制备高粘度、高对比度散斑面。

在一个具体实施例中，高粘度、高对比度散斑面制备方法的具体内容为：将试样待制备表面放置在丙酮液上方8～10秒后移开，然后在表面喷洒丙烯酸漆，制得高粘度、高对比度散斑面。

在一个具体实施例中，高粘度、高对比度散斑面制备方法的具体内容为：将试样待制备表面放置在丙酮液上方9秒后移开，然后在表面喷洒丙烯酸漆，制得高粘度、高对比度散斑面。

在一个具体实施例中，步骤S2的具体内容为：采用电信号感应疲劳系统进行疲劳试验，将数码显微镜与试样分别固定于电信号感应疲劳系统中的高频疲劳机上，数码显微镜对应试样设置，固定设置结束后，对高频疲劳机进行疲劳试验参数设定。

在一个具体实施例中，步骤S3的具体内容为：通过裂纹监测系统监测试样裂纹萌生过程，当监测软件中裂纹长度为100～150μm时，开启电信号采集输出配件采集并转化电压值，经电信号感应疲劳系统获得步骤S1中试样高粘度、高对比度散斑面的图像。

在一个具体实施例中，步骤S3中，开启电信号采集输出配件的方式为人工开启或自动触发开启。

在一个具体实施例中，步骤S4的具体内容为：利用DIC技术分析并获得高频疲劳实验单次循环内波峰处应变-位移场、波谷处应变-位移场以及试样临界断裂时的裂纹尖端应变场。

在另一个具体实施例中，利用高速摄像机瞬时、定量获取试样疲劳波峰和波谷处图像。

实施例2

参照附图2所示，本实施例公开了一种基于电信号感应疲劳系统，包括电信号感应系统和裂纹监测系统。

电信号感应系统，包括电信号采集输出配件1、同步线2、高频疲劳机3、电缆线4、信号采集控制器5、BNC接头6和photron高速摄影机7；其中，电信号采集输出配件1包括DoLi控制器采集卡及输出模块。

裂纹监测系统，包括数码显微镜8，USB数据线10和计算机工作站11。

电信号感应系统连接及传输原理：

电信号控制输出配件1一端通过同步线2与高频疲劳机3相连，DoLi控制器采集卡采集疲劳机中正弦波波峰、波谷处负荷信号，负荷信号通过输出模块转化为相应的电压信号；电信号控制输出配件1另一端通过电缆线4与信号采集控制器5一端相连，将电压信号通过电缆线4同步传输至信号采集控制器；信号采集控制器5另一端通过BNC接头6与photron高速摄像机7相连，利用相位同步技术感应所述的电压信号；当信号采集控制器5感应电压信号时，高速摄像机7通过BNC接头自动感应拍摄，瞬时、定量地获得疲劳试样波峰波谷处图像。

裂纹监测系统连接及观察原理：数码显微镜8通过USB数据线10与计算机工作站11相连，通过计算机工作站11监测试样9裂纹长度。

在一个具体实施例中，具体实施步骤如下：

(1)实验采用材料为EH36船用钢，通过线切割技术制备尺寸如图3所示的SENT试样9，试样9前后表面用砂纸打磨平整，后利用超声清洗去除试样线切割残留的污渍，清洗时间5～10分钟，在试样9前表面制备抛光金相面，如图4所示；在试样9后表面制备高粘度、高对比度散斑面，如图5所示；

(2)采用电信号感应疲劳系统进行疲劳试验，将试样9固定于电信号感应疲劳系统中的高频疲劳机3，设定疲劳施加载荷16kN，疲劳频率125Hz，波形为正弦波；

(3)通过裂纹监测系统监测裂纹萌生过程，数码显微镜8固定于高频疲劳机3拍摄试样9表面，数码显微镜8通过USB数据线10与计算机工作站11相连，监测裂纹长度；如图6所示，监测到裂纹长度在133μm时，人工开启或者通过设置触发条件进行自动开启电信号采集输出配件，在电信号感应疲劳系统中采集并转化为电压值，获得步骤(1)中试样9高粘度、高对比度散斑面的图像；

(4)经DIC分析后获得高频疲劳实验单次循环内波峰处应变-位移场，如图7所示；图8为DIC所得高频疲劳实验单次循环内波谷处应变-位移场；图9为试样9临界断裂时裂纹尖端应变场。

在一个具体实施例中，步骤(1)要求高粘度、高对比度散斑面制备方法：将试样待制备表面短暂放置在高挥发性的丙酮液上方8～10秒后移开，然后在表面喷洒易溶于丙酮的丙烯酸漆，制备高粘度、高对比度随机喷漆散斑面，防止喷漆颗粒在高频疲劳实验中脱落，影响DIC分析结果；

在另一个具体实施例中，步骤(4)中高速摄影机拍摄参数：帧数250fps，采集图像分辨率640×480，曝光时间1/640sec。

对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。