基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展判别装置和方法与流程

本发明涉及疲劳裂纹扩展试验装置和方法，具体涉及一种基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展判别装置和方法。

背景技术：

斜拉桥服役期间，拉索受到车辆、风、地震等交变荷载的作用，将不可避免地导致结构的损伤累积和抗力衰减，严重影响其疲劳寿命，拉索由高强钢丝组成的钢绞线组合而成，高强钢丝的疲劳性能会影响到拉索及桥梁的安全。在高强钢丝疲劳裂纹扩展试验研究中，直读法比较粗略，光学法则需要昂贵的光学仪器作为支撑，近些年来有学者采用降载勾线法研究疲劳裂纹的扩展，它是通过降载的方法在钢丝断面上人为地制造一些类似于疲劳辉纹的、肉眼可观测到的“海滩状花纹”。在疲劳裂纹扩展中，先以原试验载荷(恒幅)循环一定次数后，当裂纹发生扩展时，将原试验载荷降低并保持为恒幅载荷(一般幅值减半即可)，继续循环若干次数，当断裂纹再次扩展时，重新将载荷升回到原试验载荷，至此即完成一次勾线，勾出一条线。如此循环，直至试件断裂，最终在试件上就可看到一组近似平行的海滩状花纹。以往使用降载勾线法时，多是依据经验来判别裂纹扩展的时机，不够精准。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展判别装置和方法，解决现有判别不精准的问题。

技术方案：本发明所述的基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展判别装置，包括液压手动泵、疲劳试验机、疲劳加载装置、数据采集设备和pc机，所述液压手动泵通过油路连接所述疲劳试验机夹板之间的第一中空液压千斤顶，所述疲劳试验机控制其夹板间的中空液压千斤顶动作，所述第一中空液压千斤顶通过油路连接疲劳加载装置，所述疲劳加载装置与数据采集设备通过信号数据线连接，所述数据采集设备与pc机通过信号数据线连接，所述疲劳加载装置包括框架，所述框架一侧并排设置有若干第二中空液压千斤顶，所述第二中空液压千斤顶通过油路连接所述第二中空液压千斤顶，所述框架另一侧对应设置有称重传感器。

方便油通过油路往返于疲劳试验机的大量程液压千斤顶和疲劳加载装置的多个小量程液压千斤顶之间，所述第一中空液压千斤顶与第二中空液压千斤顶之间的油路上设置有分流阀门。

所述框架包括两个对立设置的槽钢，两个槽钢之间通过若干丝杆固定连接。

所述两个槽钢上对应设置有若干不同尺寸的通孔，通孔一部分用于悬挂第二中空液压千斤顶，一部分用于钢丝的穿过，钢丝一端穿过通孔及第二中空液压千斤顶，另一端穿过称重传感器，钢丝两端用锚具固定。

所述数据采集设备为nationalinstrumentsbnc-2111数据采集设备。

本发明所述的基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展判别装置的判别方法，包括以下步骤：

(s1)液压手动泵向疲劳试验机的第一中空液压千斤顶供油，设定疲劳试验机的参数后启动疲劳试验机，开启分流阀门，疲劳试验机夹头的垫板对第一中空液压千斤顶活塞施加循环交变压力，实现活塞上下往返运动，油通过油路往返于第一中空液压千斤顶和第二中空液压千斤顶之间，使得疲劳加载装置上的多个第二中空千斤顶同步实现与疲劳试验机同性质的疲劳荷载；

(s2)称重传感器7实时监测钢丝受力，并将数据通过数据采集设备传送至pc机；

(s3)pc机通过监测钢丝的受力，显示与疲劳试验机加载波形图相对应的疲劳荷载波形图，根据波峰的变化进行降载；

(s4)降载之后，观测加载波，根据波峰短平台的长度变化进行升载；

(s5)重复步骤(s3)-(s4)直到钢丝发生断裂，每次降载或升载后波峰发生变化即代表疲劳裂纹的扩展。

其中，所述步骤(s3)中当加载的波从单峰到出现短平台时，测量波峰短平台的变化，记下xm和xn的值，xm代表短平台前端对应的时刻，xn代表短平台后端对应的时刻，定义△x＝xn-xm，计算△x的值，直至其不再变化，此时进行降载。

所述步骤(s4)中测量波峰短平台的长度，当短平台再次开始变长时，记录其变化的数据和加载次数，直至其不再变化，此时进行升载。

有益效果：本发明通过设计的疲劳加载装置，将传统疲劳试验机一次只针对一根试样进行试验，扩展为一次可同步针对多根试样进行试验，降低了试验的时间成本，本发明通过观测、记录、分析荷载波形的变化，在使用降载勾线法测量疲劳裂纹扩展时，能够直观、准确判别疲劳裂纹扩展的时机。

附图说明

图1为本发明装置的正面结构示意图；

图2为本发明装置的俯视结构示意图。

图3为槽钢结构示意图；

图4为labview软件编写的程序框示意图；

图5为疲劳荷载波形图的波峰变化示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展判别装置包括：计算机13、nationalinstrumentsbnc-2111数据采集设备12、jhbh型环形穿轴式称重传感器7、疲劳加载装置、中空液压千斤顶、油管14及分流阀门4、储油量2700cc的液压手动泵15、instron8802疲劳试验机1，instron8802疲劳试验机夹头通过用连接器或垫板连接大量程中空液压千斤顶2，储油量2700cc的液压手动泵为其供油，同时，该中空液压千斤顶通过分流阀及油管与疲劳加载装置上的多个小量程中空液压千斤顶3相连，jhbh型环形穿轴式称重传感器套在钢丝上，通过锚具将其与疲劳加载装置固定在一起，jhbh型环形穿轴式称重传感器通过传输数据线与nationalinstrumentsbnc-2111采集设备相连接，nationalinstrumentsbnc-2111采集设备通过传输数据线与计算机相连。该装置的软件部分包括：instron8802疲劳试验机自带的软件及其用户界面、基于labview编写的软件及其用户界面。疲劳加载装置包括：型号为40#c的槽钢5、直径为20mm的丝杆6及配套螺母10、底部留有m8螺丝孔的小量程中空液压千斤顶3、锚具8。如图3所示，槽钢表面留有不同尺寸的孔洞，分别用于丝杆6、钢丝9、m8螺栓11，丝杆穿过两面槽钢，利用配套的螺母将三者固定为一个整体，m8螺栓穿过槽钢与小量程中空液压千斤顶底面的螺丝孔，将多个小量程中空液压千斤顶悬挂于槽钢侧面，如图2所示，多根高强钢丝穿过两面槽钢与小量程中空液压千斤顶，将jhbh型环形穿轴式称重传感器7套在钢丝9上，钢丝两端用锚具8夹持固定。

应用本发明时，jhbh型环形穿轴式称重传感器7实时监测钢丝受力，由于油路中存在摩擦阻力，故钢丝的实际受力与疲劳试验机设定的大小存在偏差，须以传感器监测的数据为准，传感器通过传输数据线与nationalinstrumentsbnc-2111采集设备12相连接，nationalinstrumentsbnc-2111采集设备12再与计算机13相连，将疲劳加载过程中的信息记录在计算机中。instron8802自带的软件可设定疲劳荷载均值、幅值、频率，基于labview的图形化编辑语言自行编写程序，绘制程序框图，如图4所示，程序框图可表示信号采集及处理的工作原理、信号传递路线等，包含：channelsettings、timingsettings、acquireddata等，自定义labview的用户界面，该软件既有实时观测到的疲劳荷载波形图像，又有记录的疲劳荷载数据。

基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展判别方法是基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展试验装置基础上的判别方法，应用于使用降载勾线法开展疲劳裂纹扩展的试验中。基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展判别方法，在使用降载勾线法的试验中，降载和升载的选择取决于裂纹扩展的时机。而钢丝切口附近存在塑性区，该区范围会随加载次数逐渐增大，直到出现裂纹依然存在，钢丝在最大力作用时的变形会增加，加载的波将从单峰到出现短平台，从短平台到长平台，这个变长的过程，可以初步判定为疲劳裂纹的扩展。

本发明公开的基于荷载波形变化的疲劳裂纹扩展判别装置的判别方法，包括以下步骤：

(1)液压手动泵向疲劳试验机的千斤顶供油，设定疲劳试验机的参数后启动疲劳试验机，开启分流阀门，疲劳试验机夹头的垫板对疲劳试验机的千斤顶活塞施加循环交变压力，实现活塞上下往返运动，油通过油路往返于疲劳试验机的千斤顶和疲劳加载装置的千斤顶之间，使得疲劳加载装置上的多个千斤顶3同步实现与疲劳试验机同性质的疲劳荷载；

(2)称重传感器7实时监测钢丝受力，并将数据通过数据采集设备传送至pc机；

(3)pc机通过监测钢丝的受力，输出与疲劳试验机加载波形图相对应的疲劳荷载波形图，注意波峰的变化，放大波峰处的图像，当加载的波从单峰到出现短平台时，测量波峰短平台的变化，记下xm和xn的值，xm代表短平台前端对应的时刻，xn代表短平台后端对应的时刻，定义△x＝xn-xm，计算△x的值，直至其不再变化，此时进行降载；

(4)降载之后，重新观测加载波，通过软件中的丈量工具定时测量波峰短平台的长度，当短平台再次开始变长时，记录其变化的数据和加载次数，直至其不再变化，此时进行升载。

(5)重复步骤(3)-(4)直到钢丝发生断裂，每次降载或升载后波峰发生变化即代表疲劳裂纹的扩展，通过记录的加载次数和钢丝断面留下的“海滩状花纹”分析疲劳裂纹扩展的过程。