光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具及检测方法

技术领域

本发明属于板材成形测试装备技术领域，特别涉及一种光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具及检测方法。

背景技术

在航天、汽车领域中，零件的损伤断裂是极为普遍性的现象，常常造成一些事故的发生，不仅增加了生产与维护成本，还形成了极大的安全隐患。针对零件损伤断裂的预防显得尤为重要，且获得准确的金属材料性能参数和断裂指标亦是科学研究的关键。由于零件断裂与其受到的剪切密切相关，获得复杂剪切路径下的断裂数据是预测及预防生产生活中材料断裂的重要手段。

在传统工艺与研究中，试件在剪切试验时两侧受到的并不是纯剪切，只有试件中部微小区域受到纯剪切。因此，现存的一系列微型剪切卡具较小，试件也较小，试件中部受两侧影响较大，实验数据精确度较低。

且复杂剪切路径断裂测试会对试件进行不可避免地循环往复拉压，而目前的卡具仅在一个单方向上对试件锁紧，并不能彻底锁紧试件，试件产生的滑动会降低实验数据的精确性。

因此，传统的剪切卡具对于金属材料损伤断裂的起始与发展不能很好地检测，且剪切过程中微小的裂纹检测以及复杂剪切路径下的位移场和应变场获取都是急需解决的问题。为了解决传统工艺中的问题，我们急需一种较为实用、可适应复杂剪切路径以及检测精度高的断裂测试卡具及检测方法。

发明内容

针对以上情况，本发明提供了一种光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具及检测方法，通过背板和盖板的双向组合设计实现双向夹紧，使得试件紧固力更强；采用脉冲传感器检测剪切位移场与工业相机检测剪切应变场相结合的光电辅助检测，可获取复杂剪切路径断裂的应变路径，提高了检测精度，具有可靠性强、效率高、功能强大以及操作方便等功能。

本发明采用的技术方案是，一种光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具，其包括运动单元、夹持单元和数据检测单元；所述夹持单元与所述数据检测单元均固定在所述运动单元上；所述运动单元的两端均与试验机固定连接；所述夹持单元中心对称式分布于运动单元中部；所述数据检测单元分布于运动单元两侧，且固定连接于运动单元下端；所述运动单元包括运动背板、固定背板、绝缘块、滑动导轨、底盖和温控管道，所述运动背板位于所述固定背板上方；所述运动背板和所述固定背板中部的内侧面均设置为阶梯状，每一层阶梯面均开设有孔，所述运动背板和所述固定背板通过所述孔而与运动背板和固定背板分别配合固定；所述运动背板的左侧和右侧均设有第一凹槽，所述绝缘块设置在所述第一凹槽内，所述固定背板的左侧和右侧均设有第二凹槽，所述滑动导轨设置在所述第二凹槽内；所述底盖固定安装于所述第二凹槽端部，所述绝缘块分别与所述滑动导轨滑动连接；所述夹持单元包括运动盖板、固定盖板、绝缘垫片、灯带和试件，所述运动盖板和固定盖板结构相同且均设置为L形结构；所述运动盖板和固定盖板内部的两侧面与所述试件外部的两侧面分别在纵向和横向接触挤压，且所述运动盖板和固定盖板的短边和长边的两侧面均设有盖板通孔，所述试件通过所述运动盖板和固定盖板的通孔锁紧固定；所述运动盖板和固定盖板靠近所述试件的端部斜面处设有第三凹槽，所述灯带设置在所述第三凹槽内；所述数据检测单元包括脉冲传感器、工业相机、固定座、底板平台、相机支架和连接线，所述脉冲传感器固定安装于所述运动单元的第一侧，且通过所述固定座与所述运动背板的后侧面固定连接；所述工业相机固定安装在所述运动单元的第二侧，且通过所述相机支架与所述固定背板的下端固定连接；所述底板平台固定连接在所述固定背板的后侧面，且位于所述脉冲传感器下方；所述相机支架的第一端固定在所述运动单元下方，所述相机支架的第一端与所述工业相机固定连接。

优选地，所述运动盖板和固定盖板的顶面和底面均设有U型凹槽，且所述运动盖板和固定盖板的短边中部设有贯通式凹槽，所述贯通式凹槽的宽度大于所述U型凹槽的宽度；

进一步地，所述运动背板和固定背板均设有温控管道，所述温控管道为中空结构且呈分段式弯曲状，所述温控管道的外部设有管道接口；

进一步地，所述运动背板和固定背板的长边侧面均设有背板通孔，所述试件通过所述背板通孔接入电流；

优选地，所述运动背板、固定背板、运动盖板和固定盖板接触试件处均固定有绝缘垫片，且所述脉冲传感器的尾部探头接触底板平台处固定有绝缘垫片；

优选地，所述连接线包括控制连接线和数据传输连接线，所述控制连接线的第一端连接脉冲传感器，所述控制连接线的第二端连接工业相机；所述数据传输连接线的第一端连接脉冲传感器，所述控制连接线的第二端连接计算机；

优选地，所述工业相机镜头的轴线与所述固定背板外侧面垂直；

本发明的第二方面，提供一种用于前述光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具的检测方法，其具体包括如下步骤：

S1、通过调节所述运动背板、固定背板、运动盖板和固定盖板以双向加紧所需测试的试件，并开始进行打开灯带、通水冷却和测前调试工作；

S2、针对复杂剪切路径断裂测试卡具进行通电测试，具体检测方法如下：

(1)电流位于0.1A-1A：当检测试件内部损伤时，在试件对称两侧焊接导线，且导线从固定背板两侧开口孔处接通电源；此时需要在试件与所述运动背板、固定背板、运动盖板和固定盖板的接触部分安装第一绝缘垫片；

(2)电流位于50A-200A：当进行热剪切实验时，在固定背板两侧底盖的固定连接处接通大电流电源；此时需要在试件与所述运动背板、固定背板、运动盖板和固定盖板的接触部分安装第二绝缘垫片，且所述第二绝缘垫片较所述第一绝缘垫片强度高；

S3、通过脉冲传感器控制工业相机拍照，并将所得数据传入试验机，试验机自动生成位移载荷曲线；

S4、进行正反加载与卸载的循环剪切实验，试验机根据加载路径的不同自动写出状态变量，上行状态为-1、静止状态为0、下行状态为1，并根据状态变量的不同，将试验机输出的位移载荷数据进行如下分段处理：

(1)若试验机加载路径为下行状态，即S＝1,将数据依次存入a(x,y)、c(x,y)和e(x,y)等数组中；

(2)若试验机加载路径为静止状态，即S＝0,则删除数组(x,y)；

(3)若试验机加载路径为上行状态，即S＝-1,将数据依次存入b(x,y)、d(x,y)、f(x,y)等数组中；

S5、工业相机基于脉冲传感器的控制命令得到试件在试验过程中的位移变形DIC照片，并通过软件分析照片所对应的试验机位移x

S6、分析正反加载卸载的循环剪切中试验机位移x

(1)若x

(2)若x

式中，x为D I C照片所对应的试验机位移，

S7、根据不同的DIC数据段分别拟合出f

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具，通过运动背板和运动盖板的组合设计，实现径向夹紧；且通过固定背板和固定盖板的组合设计，实现轴向夹紧；双向夹紧的设计使得试件紧固力更强，具有断裂测试精度高和实验稳定等优点。

2、本发明提供的一种光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具的检测方法，基于正反加载与卸载的循环剪切实验，采用脉冲传感器检测剪切位移场与工业相机检测剪切应变场结合的光电辅助检测策略，可获取复杂剪切路径断裂的应变路径，并进行数据拟合修正处理，提高了断裂检测的精度、可靠性与效率，实现损伤及失稳断裂行为的精准预测。

3、本发明提供的一种光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具，绝缘块与导轨的配合设计具有绝缘、定位和导向作用；灯带装于盖板凹槽中，可为工业相机提供光源，减小实验成本；温控管道的设计可降低实验温度、提高使用寿命；具有辅助功能强大、操作方便以及实用性强等特点。

附图说明

图1是本发明光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具的整体结构示意图；

图2是本发明光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具的整体结构侧视示意图；

图3为本发明光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具的整体结构俯视示意图；

图4为本发明运动单元的结构示意图；

图5为本发明绝缘块导向定位的剖视示意图；

图6为本发明夹持单元的结构示意图；

图7为本发明运动盖板的结构示意图；

图8为本发明数据检测单元脉冲传感部分的结构示意图；

图9为本发明数据检测单元工业相机部分的结构示意图；

图10为本发明剪切试验数据分析示意图；

图11为本发明操作步骤流程图；

图12为本发明检测方法流程图。

主要附图标记：

运动单元1；夹持单元2；数据检测单元3；运动背板11；绝缘块12；预紧件13；底盖14；固定背板15；滑动导轨16；温控管道接口17；运动盖板21；绝缘垫片22；试件23；固定盖板24；灯带25；脉冲传感器31；固定座32；底板平台33；相机支架34；连接线35；工业相机36。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具，如图1～图3所示，其包括运动单元1、夹持单元2和数据检测单元3。运动单元1包括运动背板11与固定背板15，其上下两部分均与试验机固定连接，且夹持单元2与数据检测单元3均固定在运动单元1上；夹持单元2包括运动盖板21与固定盖板24，其整体结构中心对称式分布于运动单元1中部；数据检测单元3包括脉冲传感器31与工业相机36，其整体结构分布于运动单元1两侧，且固定连接于运动单元1下端。工业相机36镜头轴线与固定背板15外侧面垂直；

如图4所示，运动单元1包括运动背板11、绝缘块12、预紧件13、底盖14、固定背板15、滑动导轨16和温控管道接口17，背板包括运动背板11和固定背板15，呈上下布置，且运动背板11位于固定背板15上方；运动背板11和固定背板15中部内侧面均为阶梯状，每一层阶梯面均设有用于与盖板相配合固定的孔；运动背板11的左右两侧均设有用于嵌入绝缘块12的凹槽，固定背板15的左右两侧均设有用于放置滑动导轨16的凹槽，固定背板15的左右两侧外部设有预紧件13以预紧滑动导轨16和绝缘块12；底盖14固定安装于固定背板15侧面的凹槽端部，运动背板11凹槽内的绝缘块12分别与固定背板15凹槽内的滑动导轨16滑动连接；

进一步地，背板设有带有外部温控管道接口17的温控管道，温控管道内部中空，结构呈分段式弯曲状，并居中贯穿整体结构；

如图5所示，背板与盖板靠近且接触试件23处均固定有绝缘垫片22，且脉冲传感器31尾部探头靠近且接触底板平台33处固定有绝缘垫片22，绝缘块12与导轨的配合设计具有绝缘、定位和导向作用。

如图6所示，夹持单元2包括运动盖板21、固定盖板24、绝缘垫片22、灯带25和试件23，盖板包括运动盖板21和固定盖板24，两者的外形与结构相同，且整体均呈现为L形结构；盖板内部两侧面与试件23外部两侧面分别在纵向和横向接触挤压，且其短边和长边的两侧面均设有用于锁紧试件23的通孔；绝缘垫片22分别固定在盖板接触试件23的一侧表面，盖板靠近试件23的端部斜面处设有用于放置灯带25的凹槽；

如图7所示，盖板的顶面和底面均设有U型凹槽，且其短边中部设有贯通式凹槽，贯通式凹槽的宽略大于U型凹槽的宽；

如图8和图9所示，数据检测单元3包括脉冲传感器31、工业相机36、固定座32、底板平台33、相机支架34和连接线35，脉冲传感器31固定安装于运动单元1一侧，且通过固定座32与运动背板11后侧面固定连接，其可随运动背板11一起运动；工业相机36固定安装在运动单元1另一侧，且通过相机支架34与固定背板15下端固定连接；底板平台33固定连接在固定背板15后侧面，且位于脉冲传感器31下方；相机支架34一端固定在运动单元1下方，一端与工业相机36固定连接；

进一步地，连接线35包括控制连接线35和数据传输连接线35，控制连接线35一端连接脉冲传感器31，另一端连接工业相机36；数据传输连接线35一端连接脉冲传感器31，另一端连接计算机；

如图10所示，其为光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具的剪切试验数据图，实验材料为SP1180，试件23尺寸为64mm*18mm*1.4mm，试件23中部纯剪切区域受两侧影响较小，实验曲线没有明显波动且较为平滑，说明通过背板和盖板的双向夹紧设计可使得试件23紧固力更强，提高了剪切实验数据的平稳性和精确性。

如图11所示，其为光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具的操作步骤流程图，结合操作步骤流程图说明本发明的使用过程如下：

首先，将绝缘垫片22粘贴固定于运动背板11、固定背板15、运动盖板21和固定盖板24与试件的接触面，并将运动背板11安装到压力机。

然后，将工业相机36安装在固定背板15上，并通过头部的螺纹将其安装到压力机，使得相机镜头正对固定背板中部试件安装位置。

其次，将两个绝缘块12分别嵌入到运动背板11的左右两侧凹槽中，将两个滑动导轨16分别嵌入固定背板15的左右两侧凹槽中，并分别安装底盖14以防止导轨松动。并通过调节压力机高度，使得固定背板11和运动背板15夹持试件部位处于水平状态。

再次，如图7和图8所示，在运动背板后侧安装固定座32和底板平台33，并分别在固定座32和底板平台33上固定脉冲传感器31与绝缘垫片22。通过调节紧固力将工业相机36一侧与脉冲传感器31相连接，工业相机36的另一侧通过导线连接计算机。

接着，将试件23放置在运动背板11和固定背板15中部阶梯处，安装运动盖板21和固定盖板24，并通过固定连接件将试件厚度和宽度方向双向锁紧。

最后，打开实验灯带25，再次调节相机支架34使得计算机可清晰拍摄到试件变形区域，并通入电流开始进行试验。

如图12所示，其为光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具的检测方法流程图，本发明提出了一种光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具的检测方法，其具体包括如下步骤：

S1、首先，通过调节盖板与背板以双向加紧所需测试的试件，并进行一些诸如打开灯带、通水冷却和测前调试等一些辅助工作；

S2、其次，针对复杂剪切路径断裂测试卡具进行通电测试，检测方法提供了两种不同的接入电流方式，具体如下：

(1)电流位于0.1A-1A：当检测试件内部损伤时，可在试件对称两侧焊接导线，且导线可从固定背板两侧开口孔处接出以接通电源；此时需要在试件和背板以及盖板的接触部分安装绝缘垫片。

(2)电流位于50A-200A：当进行热剪切实验时，可在背板两侧底盖的固定连接处接通大电流电源；此时需要在试件和背板以及盖板的接触部分安装强度较高的金属垫片。

S3、再者，通过脉冲传感器控制工业相机拍照，并将所得数据传入试验机，试验机可自动生成位移载荷曲线以便于分析。

S4、然后，进行正反加载与卸载的循环剪切实验，试验机根据加载路径的不同自动写出状态变量，上行状态为-1、静止状态为0、下行状态为1，并根据状态变量的不同，可将试验机输出的位移载荷数据进行如下分段处理：

(1)若试验机加载路径为下行状态，即S＝1,将数据依次存入a(x,y)、c(x,y)和e(x,y)等数组中；

(2)若试验机加载路径为静止状态，即S＝0,则删除数组(x,y)；

(3)若试验机加载路径为上行状态，即S＝-1,将数据依次存入b(x,y)、d(x,y)、f(x,y)等数组中。

S5、接着，工业相机基于脉冲传感器的控制命令得到试件在试验过程中的位移变形DIC照片，并通过软件分析照片所对应的试验机位移x

S6、再次，分析正反加载卸载的循环剪切中试验机位移x

(1)若x

(2)若x

式中，x为D I C照片所对应的试验机位移，

S7、最后，根据不同的DI C数据段分别拟合出函数f

综上，本发明光电辅助的复杂剪切路径断裂测试卡具，通过运动背板和运动盖板的组合设计，实现径向夹紧；且通过固定背板和固定盖板的组合设计，实现轴向夹紧；双向夹紧的设计使得试件紧固力更强，具有断裂测试精度高和实验稳定等优点。并采用脉冲传感器检测剪切位移场与工业相机检测剪切应变场结合的光电辅助检测方法，可获取复杂剪切路径断裂的应变路径，提高了断裂检测的精度、可靠性与效率，实现损伤及失稳断裂行为的精准预测。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。