一种基于DCPD法裂纹扩展信号的标定装置及标定方法与流程

本发明属于核电结构安全分析技术领域，尤其是涉及一种基于dcpd法裂纹扩展信号的标定装置及标定方法。

背景技术：

在核电领域，主要关键零件处在高温高压水环境中，其焊接接头处由于应力腐蚀容易产生裂纹，监测裂纹长度并评价机械零件寿命是节约核电成本、降低核电安全事故发生的重要研究技术领域。在国外，mts公司研发了基于dcpd(直流电位降)法的裂纹测量系统用于疲劳裂纹扩展测量，matelect公司研制了一种采用脉冲直流技术的裂纹扩展监测仪用于监测机械测试中金属试样裂纹扩展。但由于技术保密等原因，国外的这些测试仪器技术介绍资料相对较少。国内虽然也有相关研究但由于历史的原因，国内在台式高精度测量仪器方面和国际水平差距很大，市场目前仍然由安捷仑、泰克等国外著名厂商垄断，仪器价格高，致使裂纹测量系统成本居高不下。为打破垄断技术封锁，降低相关仪器的价格，实现仪器的国产化，研发集成度高、精度高、成本低的裂纹监测仪器非常重要。

目前，核电零件裂纹的监测大多数采用dcpd(直流电位降)法，用dcpd法测量试样的裂纹长度实质上是测量试样裂纹两端电压信号的变化，当试样两端加上恒定的直流电流时，裂纹两端的电压降随着裂纹的增长逐渐增大，裂纹扩展的电压信号为微伏级信号。因此，在基于dcpd法的裂纹监测仪器的研发中需要一个与实际裂纹长度对应的电压信号作为研发仪器的信号源，来对裂纹扩展长度的扩展电压信号来量化标定。但是，由于核电领域的核电零件的裂纹增长速率很慢，短则几十天，长则十几年，在仪器研发过程中其实验环境实现周期太长，并不适合作为研发测试仪器时的信号源。因此，目前在国内基于dcpd法的裂纹监测仪器的研制并没有获得性能稳定、反复使用且有效的裂纹扩展信号来量化标定。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种基于dcpd法的裂纹扩展信号标定装置，其为国内基于dcpd法的裂纹监测仪器的研制提供了有效的裂纹扩展信号的量化标定，具有裂纹模拟形象直观、性能稳定、可反复使用的优点，大大降低了基于dcpd法裂纹监测仪器的制造成本。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于dcpd法裂纹扩展信号的标定装置，其特征在于：包括腔体、腔体底座和塑料切片，所述腔体设置在腔体底座的顶部，所述腔体的外形为长方体结构，所述腔体由前壁、后壁、左壁、右壁和底壁组成，所述前壁、后壁、左壁、右壁和底壁围成的空腔为长方体内腔，所述长方体内腔内充满液态金属，所述前壁和后壁的中部均竖直设置有缝隙，所述前壁和后壁上的缝隙相对称，所述缝隙的两侧沿长度方向均设置有刻度，所述塑料切片插入缝隙内且用于切割液态金属，所述塑料切片的厚度与缝隙的宽度相等，所述塑料切片的长度大于长方体内腔的高度，所述塑料切片的宽度大于长方体内腔的宽度。

上述的一种基于dcpd法裂纹扩展信号的标定装置，其特征在于：所述标定装置应用于裂纹监测仪器对304钢试样的裂纹扩展信号的标定，所述裂纹监测仪器为基于dcpd法的裂纹监测仪器。

上述的一种基于dcpd法裂纹扩展信号的标定装置，其特征在于：所述腔体的长度l1为20mm、宽度w1为12mm、高度h1为20mm，所述长方体内腔的长度l2为16mm、宽度w2为10mm、高度h2为18mm。

上述的一种基于dcpd法裂纹扩展信号的标定装置，其特征在于：所述缝隙的宽度为0.3mm，所述塑料切片的长度为20mm、宽度为12mm、厚度为0.3mm。

上述的一种基于dcpd法裂纹扩展信号的标定装置，其特征在于：所述液态金属为镓锌合金液态金属。

上述的一种基于dcpd法裂纹扩展信号的标定装置，其特征在于：所述液态金属的体积为2.88毫升。

上述的一种基于dcpd法裂纹扩展信号的标定装置，其特征在于：所述镓锌合金液态金属中镓金属的质量与锌金属的质量之比为3：1。

本发明还提供了一种利用上述装置进行基于dcpd法裂纹扩展信号的标定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、在室温下，用针管将液态金属注射到长方体内腔内，使得液态金属充满整个长方体内腔；

步骤二、将基于dcpd法的裂纹监测仪器的电流信号输出端连接线沿着前壁内侧插入液态金属内，将基于dcpd法的裂纹监测仪器的电压信号采集端连接线沿着前壁的内侧插入液态金属内，在基于dcpd法的裂纹监测仪器上设定液态金属的输入电流值为0.1a；

步骤三、基于dcpd法的裂纹监测仪器采集并保存液态金属的电压输出信号为v0；

步骤四、使用塑料切片沿着缝隙并按照缝隙两侧标识的刻度向下切割液态金属，刻度由上向下递增，当切割到1mm时停止切割并保持塑料切片的位置不变，使得液态金属产生模拟裂纹扩展的形状；

步骤五、基于dcpd法的裂纹监测仪器采集并保存液态金属在切割1mm时的电压输出信号为v1；

步骤六、基于304钢试样的有限元模型分析及液态金属的实验验证，得到液态金属在切割状态下的电压信号与304钢试样裂纹扩展信号之间的关系为：当输入电流为0.1a时，液态金属切割dmm可以模拟当输入电流为1a时304钢试样裂纹增长dmm的裂纹扩展信号，由于两次采集电压输出信号的切割长度差为1mm，依据以上的关系可得到两次采集的电压信号的差值δv＝v1-v0可模拟304钢试样裂纹增长1mm的裂纹扩展信号，因此将基于dcpd法的裂纹监测仪器采集的δv信号标定为304钢试样输入电流为1a、裂纹扩展1mm时的裂纹扩展信号；

步骤七、设定液态金属的切割增长量为1mm，重复步骤四和步骤五并将采集到的电压信号与步骤三采集的电压信号求差值，根据步骤六中的已知的关系结论来对不同的304钢试样的裂纹扩展长度的扩展信号进行标定，当完成裂纹扩展长度为5mm的裂纹扩展信号的标定时，基于dcpd法的裂纹监测仪器的裂纹扩展信号标定结束。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的标定装置结构简单，利用液态金属在常温下呈液态且具有一定的流动性的性能，将液态金属切割后可直观、形象的模拟裂纹扩展的情况，为研发基于dcpd法裂纹监测仪器提供了一种可反复使用和直观表征的模拟裂纹扩展信号的方法，而且随着腔体缝隙的无限加长，此方法可以无极限的模拟裂纹扩展，因此加快了仪器研发的周期。

2、本发明的液态金属在室温下表层可产生一层氧化膜，此氧化膜与塑料切片之间不粘着，因此有效的保证了靠近腔壁内壁的液态金属的导电连贯性，使得液态金属环绕塑料切片分布并沿着模拟裂纹扩展的方向产生电位差，成功模拟了基于dcpd法的裂纹扩展情况。

3、本发明利用塑料切片切割液态金属模拟裂纹扩展情况，可行性强、操作简单并可反复操作，解决了实际金属试样裂纹扩展周期长且具有破坏性、实验耗材大的问题，节约了研发裂纹监测仪器的实验研究成本。

4、本发明可通过改变液态金属的厚度、切割缝隙的宽度等多项参数来模拟裂纹扩展情况，可有效的选取较为精确的电压变化信号，更好地模拟不同试样裂纹扩展的全过程。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明标定装置的结构示意图。

图2为本发明标定装置的纵向剖面图。

图3位本发明标定装置的俯视图。

图4为本发明标定装置腔体和腔体底座的连接关系示意图。

图5为本发明试样不含有裂纹的电位降法原理图。

图6为本发明试样含有裂纹的电位降法原理图。

图7为本发明试样的裂纹扩展图。

图8为本发明液态金属裂纹增长量与电位降的关系曲线图。

图9为本发明304钢试样的有限元模型图。

图10为本发明304钢试样的有限元结果图。

图11为本发明304钢试样的裂纹增长量与电位降的曲线图。

图12为本发明标定装置与基于dcpd法裂纹监测仪器的连接关系示意图。

附图标记说明:

1—长方体内腔；2—缝隙；3—腔体；

4—腔体底座；5—塑料切片；6—液态金属。

具体实施方式

基于dcpd(直流电位降)法的裂纹监测仪器中应用的dcpd的原理为：电位降法是基于金属材料本身的导电特性来测量裂纹长度的方法。如图5和图6所示，在含裂纹试样上，电流场是试样几何形状，尤其是裂纹尺寸的函数，当试样中通过恒定电流时，电势会随试样中裂纹长度的增加而升高。电位降法用一般用四探针法实施，外侧两探针(c1、c2)为电流电极，激励电流i从外侧两探针通过被测试样，内侧两探针(p1、p2)为电压v(电位差)电极，电位差取决于试样中电流的分布。

本发明为了确定液态金属不同切割长度下的电压信号与裂纹扩展信号之间关系，进行了以下主要工作内容：

一、标定方法的确立依据

裂纹的扩展从表面看就是材料出现缺陷，空气进入金属试样，当通入电流时，由于进入的空气绝缘，从而使得金属试样的电位降发生变化，使用液态金属，利用液体的流动性，使用塑料切片充当空气绝缘作用，如图7所示，液态金属就会呈现试样的裂纹扩展，从而通过切割液态金属模拟裂纹的扩展，无论从原理还是直观上非常简单明白，可以帮助非专业人士更好地理解这种模拟方法。

结合裂纹扩展机理，采用液态金属来模拟利用dcpd法的裂纹扩展，相较其他模拟方法，更加直观和稳定，信号的采集更加准确。由于室温下液态金属表层会形成一层薄膜，从而保证了装置的密封性即液态金属从预留的切片缝隙中不会流出来，塑料切片初始切割液态金属，会使液态金属产生与塑料切片同等厚度的缝隙，随着切片切割深度的加深，缝隙会逐渐加长，当塑料切片连续切割液态金属时，液态金属会绕过塑料切片，从而达到与实际裂纹增长相同的效果。

二、304钢试样的有限元模型分析

选取金属零部件中最常用的304钢为试样来进行有限元模型分析，确定304钢裂纹扩展长度与裂纹扩展信号之间的关系；

(1)如图9所示，建立304钢试样的有限元模型；

(2)设置304钢试样有限元模型的相关材料属性，conductivity＝0.19w/(mm)、electricalconductivity＝26100/ωmm、jouleheatfraction＝1；

(3)装配模型；

(4)创建分析步，类型为general：couplethermal-electric，定义初始增量和最大增量均为0.1；

(5)创建边界条件，输入集中电流1a，及环境温度场；

(6)划分网格，elementtypes为dc3d8e单元；

(7)提交作业并查看结果，其中304钢试样的有限元结果如图10所示，304钢试样的裂纹增长量与电位降的曲线如图11所示。

三、液态金属切割实验

(1)实验环境温度为25℃，用针管将镓锌合金的液态金属注射到内腔中，将德科技的恒流源的电流输出导线沿着腔体3的前壁内侧插入液态金属内，将德科技的纳伏表的信号采集连接线沿着腔体3的前壁内侧插入液态金属内，设定恒流源的输出电流值为1a，恒流源的输出电压值为6.6μv，纳伏表测量初始状态为6.6μv；

(2)使用长度为20mm、宽度为12mm和厚度为0.3mm的塑料切片从腔体顶端沿着缝隙按照标识的刻度向下切割液态金属且刻度由上向下递增，为了与图11中的裂纹扩展增量保持一致并且为了更加准确的描绘出模拟裂纹扩展量与电压降变化关系图，设定液态金属的切割递增量为0.5mm，每切割0.5mm使用纳伏表依次采集电压信号，当采集完切深为5mm的液态金属的电压信号后，采集数据结束；

(3)将液态金属的裂纹增长量与电压降的关系制成曲线图，如图8所示。

四、304钢试样的有限元模型的裂纹扩展信号及采集的液态金属电压信号对比分析

通过图11可以看出，304钢裂纹扩展是一个非线性的增长过程，裂纹每扩展增长1mm，对应的电压增加值不相同，即

δu21≠δu22≠δu23……≠δu2n

其中δu21为304钢试样裂纹从0mm扩展到1mm的裂纹扩展信号值，δu2n为304钢试样裂纹从(n-1)mm扩展到nmm的裂纹扩展信号值；

通过图8可以看出，液态金属模拟的裂纹扩展也是一个非线性的增长过程，即切割长度每增长1mm，对应的电压增加值也不相同，即

δu11≠δu12≠δu13……≠δu1n

其中δu11为液态金属模拟裂纹从0mm扩展到1mm的裂纹扩展信号值，δu1n为液态金属模拟裂纹从(n-1)mm扩展到nmm的裂纹扩展信号值；

对于单位长度的裂纹扩展，液态金属模拟裂纹扩展过程中电位降的增加量δu11与304钢试样裂纹扩展过程中电位降的增加量δu21虽不相同，但存在一定的比例关系，且比例系数相同，通过欧姆定律，调节初始电流的值，可以得到相同的电位降增加值，用数学公式表达为：

δu11＝k·δu21

δu12＝k·δu22

......

δu1n＝k·δu2n

由图11可知，通入电流为1a时，304钢试样的裂纹增长1mm时其裂纹扩展的信号变化为0.5μv；由图8可知，通入电流为1a时，液态金属的切深1mm时其电压变化为5uv，则推出：

δu11＝10·δu21

由欧姆定律可知，调节初始电流为0.1a时，液态金属的初始电压变化δu11为0.5uv，这与304钢试样裂纹扩展初始电压δu21相同，其他段的电压降同理可证：δu1n＝10·δu2n，即只需在实验前将电流调节为0.1a，就可以用液态金属完全模拟304钢试样的裂纹扩展实际情况。

五、结论

切割液态金属的切深为dmm、输入电流为0.1a时的电压信号可以作为304钢试样裂纹扩展dmm、电流输入1a时的模拟裂纹扩展信号。

如图1-图4所示，应用以上确定的关系对基于dcpd法的裂纹监测仪器的裂纹扩展信号标定的标定装置，包括腔体3、腔体底座4和塑料切片5，所述腔体3设置在腔体底座4的顶部，所述腔体3的外形为长方体结构，所述腔体3由前壁、后壁、左壁、右壁和底壁组成，所述前壁、后壁、左壁、右壁和底壁围成的空腔为长方体内腔1，所述长方体内腔1内充满液态金属6，所述前壁和后壁的中部均竖直设置有缝隙2，所述前壁和后壁上的缝隙2相对称，所述缝隙2的两侧沿长度方向均设置有刻度，所述塑料切片5插入缝隙2内且用于切割液态金属6，所述塑料切片5的厚度与缝隙2的宽度相等，所述塑料切片5的长度大于长方体内腔1的高度，所述塑料切片5的宽度大于长方体内腔1的宽度。

本实施例中，所述标定装置应用于裂纹监测仪器对304钢试样的裂纹扩展信号的标定，所述裂纹监测仪器为基于dcpd法的裂纹监测仪器。

本实施例中，所述腔体3的长度l1为20mm、宽度w1为12mm、高度h1为20mm，所述长方体内腔1的长度l2为16mm、宽度w2为10mm、高度h2为18mm。

本实施例中，所述缝隙2的宽度为0.3mm，所述塑料切片5的长度为20mm、宽度为12mm、厚度为0.3mm。

本实施例中，所述液态金属6为镓锌合金液态金属。

本实施例中，所述液态金属6的体积为2.88毫升。

本实施例中，所述镓锌合金液态金属中镓金属的质量与锌金属的质量之比为3：1。

基于dcpd法裂纹扩展信号的标定方法包括以下步骤：

步骤一、在室温下，用针管将液态金属6注射到长方体内腔1内，使得液态金属6充满整个长方体内腔1；

步骤二、如图12所示，将基于dcpd法的裂纹监测仪器的电流信号输出端连接线沿着前壁内侧插入液态金属6内，将基于dcpd法的裂纹监测仪器的电压信号采集端连接线沿着前壁的内侧插入液态金属6内，在基于dcpd法的裂纹监测仪器上设定液态金属6的输入电流值为0.1a；

步骤三、基于dcpd法的裂纹监测仪器采集并保存液态金属6的电压输出信号为v0；

步骤四、使用塑料切片5沿着缝隙2并按照缝隙2两侧标识的刻度向下切割液态金属6，刻度由上向下递增，当切割到1mm时停止切割并保持塑料切片5的位置不变，使得液态金属6产生模拟裂纹扩展的形状；

步骤五、基于dcpd法的裂纹监测仪器采集并保存液态金属6在切割1mm时的电压输出信号为v1；

步骤六、基于304钢试样的有限元模型分析及液态金属6的实验验证，得到液态金属6在切割状态下的电压信号与304钢试样裂纹扩展信号之间的关系为：当输入电流为0.1a时，液态金属6切割dmm可以模拟当输入电流为1a时304钢试样裂纹增长dmm的裂纹扩展信号，由于两次采集电压输出信号的切割长度差为1mm，依据以上的关系可得到两次采集的电压信号的差值δv＝v1-v0可模拟304钢试样裂纹增长1mm的裂纹扩展信号，因此将基于dcpd法的裂纹监测仪器采集的δv信号标定为304钢试样输入电流为1a、裂纹扩展1mm时的裂纹扩展信号；

步骤七、设定液态金属6的切割增长量为1mm，重复步骤四和步骤五并将采集到的电压信号与步骤三采集的电压信号求差值，根据步骤六中的已知的关系结论来对不同的304钢试样的裂纹扩展长度的扩展信号进行标定，当完成裂纹扩展长度为5mm的裂纹扩展信号的标定时，基于dcpd法的裂纹监测仪器的裂纹扩展信号标定结束。

一般而言，304钢的裂纹增长5mm以后，304钢的使用寿命就无法满足工程要求，因此对于监测裂纹扩展来说该信号满足工程需要。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。