结构裂纹监测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型属于结构健康监测领域，涉及一种结构裂纹监测装置其特征在于：它包括环氧树脂基底板、动态应变数据采集仪和裂纹尖端位置指示器；所述环氧树脂基底板正面设有裂纹尖端位置监控区和半环形应力场监测区；所述裂纹尖端位置监控区为由若干根相互独立的铜丝等距纵横交错成的网状结构；所述半环形应力场监测区由多个相互独立的金属敏感栅构成，所述多个金属敏感栅均匀排列成一个半圆换形，所述多个金属敏感栅均与动态应变数据采集仪连接；所述裂纹尖端位置指示器主要由若干指示灯和电源组成，其中每个指示灯均与一根铜丝对应连接，并且与电源共同组成一个独立的闭合回路。该装置可实时监测疲劳裂纹扩展路径及其裂纹尖端应力场强度。
【专利说明】结构裂纹监测装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于结构健康监测领域，涉及一种结构裂纹监测装置，具体用于监测结构疲劳裂纹尖端应力场及裂纹扩展路径。
【背景技术】
[0002]结构的疲劳是所有物体的一个共同性问题，特别是对某些静止的物体，只要它承受循环力或循环变形，就会因为疲劳而发生破坏。疲劳裂纹扩展是累计损伤的过程，包括金属在内的任何材料加工而成的机构或设备，在载荷反复作用下，机械结构的50%?90%都会发生疲劳破坏。由于材料的破坏行为和静力相比有着本质的区别，使得材料的疲劳问题成为备受关注的问题之一。
[0003]经过几十年的发展，人们已经认识到断裂力学是研究结构和构件疲劳裂纹扩展有力而现实的工具。现代断裂力学理论的成就和工程实际的迫切需要，促进了疲劳断裂研究的迅速发展。如Rice的疲劳裂纹扩展力学分析(1967年)，Elber的裂纹闭合理论(1971年)，Wheeler等的超载迟滞模型(1970年)，Hudak等关于裂纹扩展速率标准的测试方法，Sadananda和Vasudevan (1998年)的两参数理论等都取得了一定成果。
[0004]实际结构受力复杂，各种荷载的综合作用导致结构常处于复杂应力状态，而现有的各种裂纹扩展理论很难全面地考虑所有的裂纹扩展影响因素，因此为了更准确的研究疲劳裂纹扩展规律，需要结构裂纹扩展的实测数据作为支撑。目前针对疲劳裂纹扩展的实测研究仅限于各种探伤设备(磁粉探伤仪、超声波探伤仪等)对已经开展的裂纹的扩展路径的描述，并不能实时跟踪疲劳裂纹的扩展以及应力场的变化。
【发明内容】
[0005]针对上述技术问题，本实用新型的目的在于提供一种结构裂纹监测装置，该装置可实时监测疲劳裂纹扩展路径及其裂纹尖端应力场强度。
[0006]为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案是:
[0007]—种结构裂纹监测装置，其特征在于:它包括环氧树脂基底板、动态应变数据采集仪和裂纹尖端位置指示器；
[0008]所述环氧树脂基底板正面设有裂纹尖端位置监控区和半环形应力场监测区，所述半环形应力场监测区位于裂纹尖端位置监控区正前方的正中间；所述裂纹尖端位置监控区为由若干根相互独立的铜丝等距纵横交错成的网状结构，所述铜丝是集成在环氧树脂基底板上的；所述半环形应力场监测区由多个相互独立的金属敏感栅构成，每个金属敏感栅都集成在环氧树脂基底板上，所述多个金属敏感栅均匀排列成一个半圆换形，所述半圆换形的开口朝向裂纹尖端位置监控区，所述多个金属敏感栅均与动态应变数据采集仪连接；
[0009]所述裂纹尖端位置指示器主要由若干指示灯和电源组成，其中每个指示灯均与一根铜丝对应连接，并且与电源共同组成一个独立的闭合回路。
[0010]所述结构裂纹监测装置还包括一个存储模块，所述动态应变数据采集仪与存储模块连接；所述裂纹尖端位置指示器通过转换电路与存储模块连接。
[0011 ] 所述存储模块为计算机。
[0012]所述裂纹尖端位置指示器包括一个带电源的箱体，所述箱体正面均匀设有若干指示灯，若干指示灯被分为左右两个部分，其中左半部分的指示灯与横向布置的铜丝连接，右半部分的指示灯与纵向布置的铜丝连接。
[0013]所述电源包括电池座和电池，所述电池座设置在箱体的背面。
[0014]所述箱体的背面四个角处均设有一块永久磁铁。
[0015]所述环氧树脂基底板的前端部和下端部分别设有第一铜丝集线器和第二铜丝集线器，所有横向布置的铜丝和所有金属敏感栅都通过第一铜丝集线器与裂纹尖端位置指示器连接，所有纵向布置的铜丝都通过第二铜丝集线器与裂纹尖端位置指示器连接。
[0016]本实用新型的有益效果是:
[0017](I)本实用新型通过动态应变数据采集仪监测应力场(通过远离裂纹尖端的应力场线性外推裂纹尖端的应力场)，同时通过裂纹尖端位置指示器监测裂纹尖端位置(利用闭合回路的通路或者断路状态判断裂纹尖端的位置)，最终达到实时监测疲劳裂纹扩展路径及其裂纹尖端应力场强度的目的；
[0018](2)本实用新型增加一个存储模块，用于存储数据，方便后期的研究；并且该存储模块为计算机，不仅可以存储数据，还可以起到同步显示应力场和裂纹尖端位置的作用(应力场和裂纹尖端位置在一起显示)；
[0019](3)本实用新型中指示灯被分为两个部分，分别与纵向和横向的铜丝相连，使得裂纹尖端位置在裂纹尖端位置指示器清楚的显示；由电池作为电源可以使本装置的适应性增强，适应多种野外区域；在箱体的背面四个角处均设有一块永久磁铁，可以便于固定在金属结构上，避免了因结构振动而引起装置的损坏；
[0020](4)本实用新型中的集线器可以将所有导线集中在一起，方便连接和管理；
[0021](5)本实用新型的装置不仅体积小而且便于与结构连接。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1为本实用新型的整体结构示意图。
[0023]图2为本实用新型的裂纹尖端位置指示器正面示意图。
[0024]图3为本实用新型的裂纹尖端位置指示器背面示意图。
[0025]图4为应用本实用新型的裂纹尖端应力计算示意图。
[0026]图中:1-铜丝；2_裂纹尖端位置监控区；3_金属敏感栅；4_环氧树脂基底板；5-第一铜丝集线器；6_第二铜丝集线器；7_动态应变数据采集仪；8_裂纹尖端位置指示器；8a_指不灯；8b_永久磁铁；8c_电池座；8d_电池；9_存储模块。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。
[0028]如图1-4所示，一种结构裂纹监测装置，它包括环氧树脂基底板4、动态应变数据采集仪7和裂纹尖端位置指示器8 ；
[0029]所述环氧树脂基底板4正面设有裂纹尖端位置监控区2和半环形应力场监测区，所述半环形应力场监测区位于裂纹尖端位置监控区2正前方的正中间；所述裂纹尖端位置监控区2为由若干根相互独立的铜丝I (所述铜丝I直径0.03mm,表面覆盖绝缘漆)等距纵横交错成的网状结构(所述网状结构的目数根据实际情况确定，一般情况下目数越大测量精度越高)，所述铜丝I是集成在环氧树脂基底板4上的；所述半环形应力场监测区由多个相互独立的金属敏感栅3构成，每个金属敏感栅3都集成在环氧树脂基底板4上，所述多个金属敏感栅3均匀排列成一个半圆换形(优选，金属敏感栅3为7个，夹角为30° )，所述半圆换形的开口朝向裂纹尖端位置监控区2，所述多个金属敏感栅3均与动态应变数据采集仪7连接；
[0030]所述裂纹尖端位置指示器8主要由若干指示灯8a和电源组成，其中每个指示灯8a均与一根铜丝I对应连接，并且与电源共同组成一个独立的闭合回路。
[0031]所述结构裂纹监测装置还包括一个存储模块9，所述动态应变数据采集仪7与存储模块9连接；所述裂纹尖端位置指示器8通过转换电路与存储模块9连接。
[0032]所述存储模块9为计算机。所述转换电路可以将裂纹尖端位置指示器8内的电信号转换为计算机可以识别的信号。
[0033]所述裂纹尖端位置指示器8包括一个带电源的箱体，所述箱体正面均匀设有若干指示灯8a，若干指示灯8a被分为左右两个部分，其中左半部分的指示灯8a与横向布置的铜丝I连接，右半部分的指示灯8a与纵向布置的铜丝I连接。
[0034]所述电源包括电池座8c和电池8d，所述电池座8c设置在箱体的背面。
[0035]所述箱体的背面四个角处均设有一块永久磁铁8b。
[0036]所述环氧树脂基底板4的前端部和下端部分别设有第一铜丝集线器5和第二铜丝集线器6，所有横向布置的铜丝I和所有金属敏感栅3都通过第一铜丝集线器5与裂纹尖端位置指示器8连接，所有纵向布置的铜丝I都通过第二铜丝集线器6与裂纹尖端位置指示器8连接。
[0037]本实用新型的原理:当裂纹尖端经过某一横向铜丝I时，由于裂纹的存在，此处裂纹张开位移突然增大，使横向铜丝I发生断裂，导致电路断路对应的指示灯8a熄灭，从而可以判断裂纹尖端的横向位置；当裂纹尖端经过某一纵向铜丝I时，由于裂纹的存在，此处裂纹张开位移突然增大，使纵向铜丝I发生断裂，导致电路断路对应的指示灯8a熄灭，从而可以判断裂纹尖端的纵向位置。依据纵横向铜丝I的判断结果，通过线性外推的方法可计算裂纹尖端实际应力场(通过环形布置的金属敏感栅3获取裂纹尖端应力场)，利用计算机记录裂纹尖端应力场变化过程；从而形成了对裂纹扩展路径过程以及裂纹尖端应力场变化的监测。
[0038]本实用新型的使用方法:监测时研究人员先将该装置的环氧树脂基底板4正面涂满胶水(如502胶水等)，保证环氧树脂基底板4与结构之间的牢固连接，并且结构的裂纹尖端位于裂纹尖端位置监控区2的横向边缘处(即后端)，即可形成裂纹扩展路径过程以及裂纹尖端应力场变化的监测。通过纵横向铜丝I独立形成的闭合回路获取裂纹尖端位置，利用计算机记录整个裂纹扩展过程中的裂纹尖端位置变化情况；通过环形布置的金属敏感栅3获取裂纹尖端应力场，利用计算机记录裂纹尖端应力场变化过程，最后推算裂纹尖端的应力场强度。
[0039]如图4所示，金属敏感栅3与裂纹尖端还有一定的距离，因此需要乘以一定的放大系数K才能准确反映裂纹尖端处的疲劳应力。裂纹尖端的应力场强度的推算过程及具体计算公式如下:
[0040]+ r cos O)2 -4- (c+ r sin Ογ = d,, (丄)
[0041]K = K1Clp (2)
[0042]O0f = K1CIfO0 (3)
[0043]式中，K与dF呈正相关关系，系数Kl由试验确定；
[0044]dF为裂纹尖端到受力发生形变的金属敏感栅3的直线距离；
[0045]Θ为环形布置的发生形变的金属敏感栅3与横向铜丝I的夹角；
[0046]r为环形布置的金属敏感栅3的布置半径；
[0047]d为裂纹尖端与半环形应力场监测区圆心的横向距离；
[0048]c为裂纹尖端与半环形应力场监测区圆心的纵向距离；
[0049]σ θ为动态应变数据采集仪7所测得的应力场(即由金属敏感栅3测得)；
[0050]σ 0F为裂纹尖端处的实际应力场。
[0051]以上说明仅为本实用新型的应用实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等效变化，仍属本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种结构裂纹监测装置，其特征在于:它包括环氧树脂基底板(4)、动态应变数据采集仪(7)和裂纹尖端位置指示器(8)； 所述环氧树脂基底板(4)正面设有裂纹尖端位置监控区(2)和半环形应力场监测区，所述半环形应力场监测区位于裂纹尖端位置监控区(2)正前方的正中间；所述裂纹尖端位置监控区(2)为由若干根相互独立的铜丝(I)等距纵横交错成的网状结构，所述铜丝(I)是集成在环氧树脂基底板(4)上的；所述半环形应力场监测区由多个相互独立的金属敏感栅(3 )构成，每个金属敏感栅(3 )都集成在环氧树脂基底板(4 )上，所述多个金属敏感栅(3 )均匀排列成一个半圆换形，所述半圆换形的开口朝向裂纹尖端位置监控区(2)，所述多个金属敏感栅(3)均与动态应变数据采集仪(7)连接； 所述裂纹尖端位置指示器(8)主要由若干指示灯(8a)和电源组成，其中每个指示灯(8a)均与一根铜丝(I)对应连接，并且与电源共同组成一个独立的闭合回路。
2.根据权利要求1所述的结构裂纹监测装置，其特征在于:所述结构裂纹监测装置还包括一个存储模块(9)，所述动态应变数据采集仪(7)与存储模块(9)连接；所述裂纹尖端位置指示器(8)通过转换电路与存储模块(9)连接。
3.根据权利要求2所述的结构裂纹监测装置，其特征在于:所述存储模块(9)为计算机。
4.根据权利要求1所述的结构裂纹监测装置，其特征在于:所述裂纹尖端位置指示器(8)包括一个带电源的箱体，所述箱体正面均匀设有若干指示灯(8a)，若干指示灯(8a)被分为左右两个部分，其中左半部分的指示灯(8a)与横向布置的铜丝(I)连接，右半部分的指示灯(8a)与纵向布置的铜丝(I)连接。
5.根据权利要求4所述的结构裂纹监测装置，其特征在于:所述电源包括电池座(Sc)和电池(8d)，所述电池座(8c)设置在箱体的背面。
6.根据权利要求4所述的结构裂纹监测装置，其特征在于:所述箱体的背面四个角处均设有一块永久磁铁(8b )。
7.根据权利要求1所述的结构裂纹监测装置，其特征在于:所述环氧树脂基底板(4)的前端部和下端部分别设有第一铜丝集线器(5)和第二铜丝集线器(6)，所有横向布置的铜丝(I)和所有金属敏感栅(3 )都通过第一铜丝集线器(5 )与裂纹尖端位置指示器(8 )连接，所有纵向布置的铜丝(I)都通过第二铜丝集线器(6 )与裂纹尖端位置指示器(8 )连接。
【文档编号】G01L1/00GK204007950SQ201420457865
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】谢先启, 邓利明, 肖铭钊, 蔡兵华, 姚颖康, 李扬, 黄超群, 余望芝, 黄奎, 谢磊 申请人:武汉市市政建设集团有限公司