CN104344998A - 试样液压鼓胀试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种试样液压鼓胀试验方法及装置。所述试样液压鼓胀试验装置包括：液压腔，设置在所述底座中；试样安装槽；压盖，设置在所述试样安装槽的顶部，抵压在所述试样上；夹紧螺母，通过螺纹连接在所述底座的顶部并压紧所述压盖；位移传导部件，设置在所述试样上，并先后从所述压盖和夹紧螺母中穿出；工业相机，获取所述位移传导部件的位移值。所述试样液压鼓胀试验方法包括：在液压腔内通入液压油，使试样在液压油的压力的作用下鼓胀变形，直至试样破裂；用工业相机获取所述位移传导部件的位移值,并同步记录试样所受的压力值。本发明的测试结果更能够准确反映试样的真实受力。

Description

试样液压鼓胀试验方法及装置

技术领域

本发明涉及微型试样测试技术领域，具体涉及一种试样液压鼓胀试验方法及装置，用于对核设施、电站和石油化工等设备的结构测试。

背景技术

由于核设施、电站和石油化工等设备是高度危险的设施,所以这些设施的一些结构设计都是按比较保守的原则来设计的。二十世纪七十年代末，一些国家的核电站运行时间即将到达设计的寿命，人们面临停止使用或继续运行的选择。因此，必须对在役设备结构的材料力学性能进行测试。由于这些材料长期处于高温或幅射等条件下运行，在服役一段时间以后，需要确定材料的性能有没有变化，从而确定这些结构能否延寿安全运行。用传统的方法来测试材料力学性能，所需标准试件的体积较大，若从在役结构上提取，必将对结构造成损伤，是不可行的。于是迫切需要有新的测量技术。从上世纪八十年代开始，一些科技工作者分别提出了各种微型试样试验方法。

在这个领域中，最引人注目的就是小冲杆试验技术。小冲杆试验是一种以微型圆盘状试样为试验对象的力学性能试验方法，该方法通过固定圆盘试样边缘，以机械加载方式利用冲杆的半球形冲头或冲杆顶端的钢珠对试样中心处进行加载直至破裂，通过试验数据关联确定材料的力学性能。小冲杆试验的试件为通常为厚度0.5mm，直径10mm以下的圆片。由于其与传统标准试样相比极为微小，使得从在役设备上取样并确定材料实际性能成为可能。

二十多年以来，微型试样测试技术得到了极大发展，现在这个技术已经开始用于测量材料的弹塑性性能、断裂韧度、韧-脆转变温度(DBTT)等各种力学参数，并开始在蠕变和损伤的研究中发挥作用，并应用到电厂、压力容器等化工设施和核设施等多个领域。此外，有些材料在实际应用时就较薄，厚度仅几毫米，例如焊缝及其热影响区、涡轮机中的叶片和修复牙齿的聚合材料等，用小冲杆试验技术来测量它们的力学性能更接近实际应用条件。

但是，小冲杆试验技术中的试样需要承受球形冲头的压力，冲头与试样之间的摩擦力，所以小冲杆试验过程中小圆片试样的受力状态复杂，难以进行有效的理论分析以获得解析解，因而其研究主要集中在试验的数据积累，以及在数据积累的基础上得到小冲杆试验结果与材料力学性能相关联的经验公式，以及通过有限元计算对试验过程进行仿真，并用各种假设对数据进行解读上。然而由于小冲杆试验对试样的加工方法、表面状况，冲杆的对中度，下夹具平台的孔径等因素极为敏感，而上述因素在试验准备和进行过程中较难控制，所得到的数据中包含有过多失控因素造成的差异，造成小冲杆试验的可靠性不能得到有效保证。

综上所述，现有技术中存在以下问题：现有的小冲杆试验的受力复杂，根据小冲杆试验得到的数据不能准确反映试样的真实受力，造成小冲杆试验的可靠性不能得到有效保证。

发明内容

本发明提供一种试样液压鼓胀试验方法及装置，以解决现有的试样采用小冲杆试验方法、不能准确反映试样的真实受力、试验的可靠性不能得到有效保证的问题。

为此，本发明提出一种试样液压鼓胀试验方法，所述试样液压鼓胀试验方法包括：

步骤A:将圆片形试样安装在液压腔内，夹紧圆片形试样的边缘；

步骤B：在试样上面放置位移传导部件用于传导试样的轴向位移，并控制所述位移传导部件只能沿所述试样的轴线运动；

步骤C：在液压腔内通入液压油，使试样在液压油的压力的作用下鼓胀变形，直至试样破裂；

步骤D:在试样鼓胀变形直至试样破裂的过程中，用工业相机获取所述位移传导部件的位移值,并同步记录试样所受的压力值。

进一步地，所述试样液压鼓胀试验方法还包括：将获得的位移值和压力值输送到计算机,由计算机得出压力变形曲线。

进一步地，所述位移传导部件为阶梯杆,所述阶梯杆顶端设有由激光雕刻形成的标尺条纹,所述工业相机获取标尺条纹的位置变化。

进一步地，在所述位移传导部件的上方设置吸收阶梯杆的能量的吸收板。

进一步地，所述吸收板包括：底层的海绵层、中间层的橡胶层以及顶层的钢板层。

本发明还提出一种试样液压鼓胀试验装置，用于夹紧和测试试样，所述试样液压鼓胀试验装置包括：

底座；

液压腔，设置在所述底座中；

试样安装槽，设置在所述底座上并连接在所述液压腔的顶部，容纳所述试样；

压盖，设置在所述试样安装槽的顶部，抵压在所述试样上；所述压盖为环形；

夹紧螺母，通过螺纹连接在所述底座的顶部并压紧所述压盖；

位移传导部件，设置在所述试样上，并先后从所述压盖和夹紧螺母中穿出；

工业相机，获取所述位移传导部件的位移值。

进一步地，所述位移传导部件为阶梯杆,所述阶梯杆顶端设有由激光雕刻形成的标尺条纹,所述工业相机获取标尺条纹的位置变化。

进一步地，所述试样液压鼓胀试验装置还包括：吸收阶梯杆的能量的吸收板，设置在所述位移传导部件的上方。

进一步地，所述吸收板包括：底层的海绵层、中间层的橡胶层以及顶层的钢板层。

进一步地，所述试样液压鼓胀试验装置还包括：实时获取液压油压力值的压力变送器，与所述液压腔连接。

本发明采用液体压力对试样的作用力取代现有的以机械加载方式利用冲杆的半球形冲头或冲杆顶端的钢珠对试样中心处进行加载，在加载过程中，只存在液体的压力，避免了小冲杆试验技术中的试样需要承受球形冲头的压力，冲头与试样之间的摩擦力，试样受力状况更简单，试样仅承受均匀的压力，因而，本发明的测试结果更能够准确反映试样的真实受力、试验的可靠性得到有效保证。

另外，传统的小冲杆试验中的冲杆对中程度极难控制，而本发明能够使试样均匀受载的液压胀破试验方法则可以避免这个问题，提升了试验的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的试样液压鼓胀试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的试样的安装结构示意图。

附图标号说明：

1底座 2夹持螺母 3试样 4压盖 5把手 6液压腔 7注油孔 8位移传导部件 9标尺条纹 10工业相机 11吸收板 21计算机 22第一油路 23转换器 24第二油路 25压力变送器 27液压缸 29阀门

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。

如图1和图2所示，本发明提出一种试样液压鼓胀试验装置，用于夹紧和测试试样3，试样3例如为圆片状，所述试样液压鼓胀试验装置包括：

底座1；

液压腔6，设置在所述底座1中；

试样安装槽(图中未标示)，设置在所述底座1上并连接在所述液压腔6的顶部，容纳所述试样3；

压盖4，设置在所述试样安装槽的顶部，抵压在所述试样3上，用于压紧试样3的边缘；所述压盖为环形，中间具有通孔，用于放置位移传导部件8；

夹紧螺母2，通过螺纹连接在所述底座1的顶部并压紧所述压盖4，夹紧螺母的顶部设有通孔；

位移传导部件8，设置在所述试样3上，并先后从所述压盖4的顶部通孔和夹紧螺母的顶部通孔中穿出，位移传导部件8只能轴向移动，以保证实验的精度，为此，压盖4的顶部通孔和夹紧螺母的顶部通孔的尺寸要与位移传导部件8的尺寸相配合，保证位移传导部件8只能轴向移动；

工业相机10，例如设置在底座1的上方或夹紧螺母2的上方，通过拍照位移传导部件8的位置，实时的获取所述位移传导部件8的轴向位移值，实现轴向位移值的实时处理，以满足测量的及时、快速、准确。

试验时，在液压腔6内通入液压油，使试样在液压油的压力的作用下鼓胀变形，直至试样3破裂(本套试验装置可以达到的最大压力为250MPa，也就是说可以由0MPa开始加压，压力逐渐增加，最大压力表的值为250MPa，实际装置可以承担的最大压力为300MPa，通常的材料约在150-200MPa会破坏，而韧性好的材料会在200-250MPa爆破，这个装置所获得的不止爆破压力这一个值，而是从打压力开始至到爆破的一整条曲线)；在试样鼓胀变形直至试样破裂的过程中，用工业相机10获取所述位移传导部件的位移值,并同步记录试样所受的压力值；进而，试样液压鼓胀试验装置还包括与工业相机连接的计算机，工业相机将获得的位移值和压力值实时输送到计算机，由计算机在线得出压力变形曲线。本发明采用液体压力对试样的作用力取代现有的以机械加载方式利用冲杆的半球形冲头或冲杆顶端的钢珠对试样中心处进行加载，在加载过程中，只存在液体的压力，避免了小冲杆试验技术中的试样需要承受球形冲头的压力，冲头与试样之间的摩擦力，试样受力状况更简单，试样仅承受均匀的压力，因而，本发明的测试结果更能够准确反映试样的真实受力、试验的可靠性得到有效保证。

另外，传统的小冲杆试验中的冲杆对中程度极难控制，而本发明能够使试样均匀受载的液压胀破试验方法则可以避免这个问题，提升了试验的可靠性。

进一步地，如图2所示，所述位移传导部件8为阶梯杆(直杆也可以，位移传导部件主要起位移传导功能，下面的直径是固定的，刚刚好放置于圆孔当中，为了不让这个杆在下面圆孔里面摇晃，上面的杆要做轻，所以上面的杆较下面的杆要细，就做成了阶梯样，直的，圆柱形也是可以的)或阶梯轴,阶梯杆将试样位移传导至外部；例如为由钢制成实心杆，下部与压盖4配合，只可以纵向移动，不能晃动，当试样在油压力作用下变形，向上鼓起，带动阶梯杆与试样一起向上移动，阶梯杆的位移与试样位移最大处相等，测量阶梯杆位移，相当于测量试样最大位移；

所述阶梯杆顶端设有由激光雕刻形成的标尺条纹9。标尺条纹9,间隔1mm，总计10mm，与阶梯杆同步移动。所述工业相机10获取标尺条纹的位置变化，从而精确得到试样的位移。标尺固定于阶梯杆上段，与阶梯杆位移同步，方便工业相机读取标尺。工业数字相机对阶梯杆标尺进行成像。在初始时，试样位移为零，图像记录下当前标尺位置，当试样在压力作用下开始发生变形，带动阶梯杆向上移动，数字相机在整个实验过程不动，当阶梯杆向上移动时，数字相机所获取的标尺图像相应的变化，与初始标尺图像比较即可获得阶梯杆的位移值。

进一步地，所述试样液压鼓胀试验装置还包括：吸收阶梯杆的能量的吸收板11，设置在所述位移传导部件8的上方。在试样爆破瞬间，高压油通过试样破口飞出，阶梯杆在高压油的驱动下急速飞离，若不加处理的话，容易伤人。因此，本发明采用吸收板11以保护操作人员的安全。

进一步地，所述吸收板11包括：底层的海绵层、中间层的橡胶层以及顶层的钢板层。海绵层为最靠近阶梯杆的缓冲层，厚度为40mm，中间层为橡胶，厚度为40mm，顶层的钢板层厚度为10mm，阶梯杆与吸收板碰撞，阶梯杆的动能被吸收板吸收，并最终嵌入到吸收板当中，下次实验时将阶梯杆从吸收板中取出即可，吸收板经多次使用后换新。

进一步地，如图1所示，所述试样液压鼓胀试验装置还包括：实时获取液压油压力值的压力变送器，与所述液压腔6连接，以准确获取液压腔6内的液压值。

如图1所示，本发明通过转动把手5将夹持螺母2拧到底座1上，使压盖4压紧试验片3，从而在底座1的凹槽(试样安装槽)上夹紧试样3，并保证在实验过程中不会发生试样与卡具(底座和压盖)之间液压液体的泄露。然后，在液压腔6中充满液体，并通过注油孔7加压，达到使试样3鼓胀变形并最终破裂，记录最高压力值即为破裂压力。工业相机在整个实验过程不动，当阶梯杆向上移动时，数字相机所获取的标尺图像相应的变化，与初始标尺图像比较即可获得阶梯杆的位移值。

本发明的工作原理简述：如图1所示，整套试样液压鼓胀试验装置由外部高压油源(例如为液压缸27)驱动。高压油源提供高压油经阀门29进入试验装置，阀门29控制高压油流入的流速，相当于控制试样变形速率。高压油通过阀门后分两路：从第二油路24进入压力变送器25，压力变送器25实时获取高压油的压力值，其信号经过A\D转换器23(也称数字转换器，实现模拟量到数字量的转化，因为压力表读出来的数值是模拟量，需要转换成数字量才可以被计算机所记录)后送入计算机21；另外一路高压油(第一油路22)进入试验装夹组件(包括底座、夹紧螺母2)，驱动试样变形，试样变形量由阶梯杆传导至标尺条纹，工业相机11获取阶梯杆伸出图像，并将图像送至计算机11，计算机解算得出阶梯杆的位移值。试验开始后，计算机同步获取位移值与压力值，即可直接给出试样在高压油作用下的压力-位移曲线。配合试样的几何尺寸，该曲线可以解算得出材料的应力应变曲线。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种试样液压鼓胀试验方法，其特征在于，所述试样液压鼓胀试验方法包括：

步骤A:将圆片形试样安装在液压腔内，夹紧圆片形试样的边缘；

步骤B：在试样上面放置位移传导部件用于传导试样的轴向位移，并控制所述位移传导部件只能沿所述试样的轴线运动；

步骤C：在液压腔内通入液压油，使试样在液压油的压力的作用下鼓胀变形，直至试样破裂；

步骤D:在试样鼓胀变形直至试样破裂的过程中，用工业相机获取所述位移传导部件的位移值,并同步记录试样所受的压力值。

2.如权利要求1所述的试样液压鼓胀试验方法，其特征在于，所述试样液压鼓胀试验方法还包括：将获得的位移值和压力值输送到计算机,由计算机得出压力变形曲线。

3.如权利要求1所述的试样液压鼓胀试验方法，其特征在于，所述位移传导部件为阶梯杆,所述阶梯杆顶端设有由激光雕刻形成的标尺条纹,所述工业相机获取标尺条纹的位置变化。

4.如权利要求1所述的试样液压鼓胀试验方法，其特征在于，在所述位移传导部件的上方设置吸收阶梯杆的能量的吸收板。

5.如权利要求1所述的试样液压鼓胀试验方法，其特征在于，所述吸收板包括：底层的海绵层、中间层的橡胶层以及顶层的钢板层。

6.一种试样液压鼓胀试验装置，用于夹紧和测试试样，其特征在于，所述试样液压鼓胀试验装置包括：

底座；

液压腔，设置在所述底座中；

试样安装槽，设置在所述底座上并连接在所述液压腔的顶部，容纳所述试样；

压盖，设置在所述试样安装槽的顶部，抵压在所述试样上；所述压盖为环形；

夹紧螺母，通过螺纹连接在所述底座的顶部并压紧所述压盖；

位移传导部件，设置在所述试样上，并先后从所述压盖和夹紧螺母中穿出；

工业相机，获取所述位移传导部件的位移值。

7.如权利要求6所述的试样液压鼓胀试验装置，其特征在于，所述位移传导部件为阶梯杆,所述阶梯杆顶端设有由激光雕刻形成的标尺条纹,所述工业相机获取标尺条纹的位置变化。

8.如权利要求7所述的试样液压鼓胀试验装置，其特征在于，所述试样液压鼓胀试验装置还包括：吸收阶梯杆的能量的吸收板，设置在所述位移传导部件的上方。

9.如权利要求8所述的试样液压鼓胀试验装置，其特征在于，所述吸收板包括：底层的海绵层、中间层的橡胶层以及顶层的钢板层。

10.如权利要求6所述的试样液压鼓胀试验装置，其特征在于，所述试样液压鼓胀试验装置还包括：实时获取液压油压力值的压力变送器，与所述液压腔连接。