CN105352433A - 一种船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状的测量装置及其方法，装置包括由多个应变片组成的应变片组、动态应变仪、裂纹表面张口位移测量模块和NCOD数据库系统。方法包括以下步骤：1)将测量装置安装在整条裂纹张口的上方；2)调整输出电压；3)读取静电输出电压值；4)对船体典型焊接结构进行加载，记录动态应变仪输出的电压信号；5)裂纹表面张口位移测量模块接收动态应变仪输出的电压信号，分析计算得到裂纹形状的测量数据并导入NCOD数据库系统中，调用NCOD数据库系统中的比例因子，获得裂纹深度及形状。本发明无需附加设备提高测量点位置的精度，测量裂纹深度与形状和真实裂纹基本一致，适用于各种复杂结构表面裂纹测量。

Description

一种船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及裂纹检测方法领域，具体涉及一种船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状的测量装置及其方法。

背景技术

疲劳和断裂是金属结构中最普遍的损伤和失效形式之一，对于船舶等大型结构在长时间承受波浪力、流力、风力和作业时的动力等交变载荷的作用下，其焊接过程中产生的各种微观和宏观缺陷在应力集中较严重的部位容易发展形成前缘形状接近于半椭圆的表面裂纹。而表面裂纹在持续的外在和的作用下会不断发生扩展而成为穿透裂纹。近代发展起来的抗疲劳设计方法――损伤容限设计和耐久性设计就是基于船体结构具有大量的冗余度，表面裂纹甚至穿透裂纹的出现并不意味着含裂纹区域破坏的原理。

其中损伤容限设计是假定构件中存在初始缺陷，应用断裂力学分析、疲劳裂纹扩展分析和试验验证等方法，证明在定期检查肯定能发现之前，裂纹不会扩展到足以引起结构破坏的临界尺寸。耐久性设计首先定义疲劳破坏薄弱环节的初始状态，再通过疲劳分析或者疲劳裂纹扩展行为分析预测在不同时刻损伤状态的变化，确定其经济寿命，制定使用、维修方案。断裂力学方法处理工程问题是通过建立材料物理模型，按照弹性或塑性力学的方法，研究含裂纹体内的应力场状态，给出描述裂纹尖端应力场强弱的应力强度因子K，并由此建立裂纹扩展的临界条件。其中，裂纹几何尺寸是一个不可或缺的参数。可见裂纹几何尺寸在结构的抗疲劳设计、疲劳断裂力学分析、断裂判据和疲劳断裂控制中是非常重要的依据。因此，在作业环境、实际工况下，迅速准确地确定结构中疲劳裂纹的几何尺寸具有重要实际意义。

目前常用的无损裂纹检测方式主要有超声波检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测、漏磁检测和声发射检测。然而这些检测方式有的无法准确描述裂纹形状(如磁粉检测等)，有的检测操作复杂(如超声波检测等)，而有的检测设备昂贵(如声发射检测等)。且现有技术一般只能针对平板的一种情况对裂纹表面进行深度形状测量，不适用与复杂变化的结构形式。

发明内容

本发明要解决的问题是，鉴于现有裂纹检测方法存在的上述不足以及当前市场的需求，提供了一种结构简单、操作方便、成本低的船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状的测量装置及其方法，测量所得裂纹深度与形状和真实裂纹基本一致，适用于各种复杂结构表面裂纹测量。

本发明解决上述问题采用的技术方案是：

一种船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状的测量装置，包括由多个应变片组成的应变片组、动态应变仪、裂纹表面张口位移测量模块和NCOD数据库系统，所述应变片组包含沿裂纹扩展方向横向排列分布的应变片以及纵向延长线上的对比应变片，各应变片与对比应变片一起置于PVDF膜上，所述应变片组通过信号线与动态应变仪连接，动态应变仪用于将应变片组的应变数据转换成电压信号；所述裂纹表面张口位移测量模块连接到动态应变仪的闭合电路中，裂纹表面张口位移测量模块用于接收动态应变仪输出的电压信号并分析计算得到裂纹形状的测量数据，并将测量数据导入NCOD数据库系统中，调用NCOD数据库系统中的比例因子，获得裂纹深度及形状。

按上述方案，所述应变片包括基底、引线、敏感栅和保护片，敏感栅固定于基底上，引线从敏感栅中引出，保护片设置于敏感栅上方。

本发明还提供了一种上述测量装置的测量方法，主要包括以下步骤：

1)选取船体典型焊接结构构件表面的裂纹张口，将应变片组的多个沿裂纹扩展方向横向排列分布的应变片覆盖粘贴到整条裂纹张口的上方(并且对测量中裂纹的继续扩展保有余量)，并将裂纹表面张口位移测量模块连接到动态应变仪的闭合电路中；

2)调整输出电压；

3)读取动态应变仪的静电输出电压值；

4)对船体典型焊接结构表面进行加载，用小锤在船体典型焊接结构表面上进行敲击并对动态应变仪数据进行采集，记录动态应变仪输出的电压信号；

5)通过裂纹表面张口位移测量模块接收步骤4)中动态应变仪输出的电压信号，并进行分析计算得到裂纹形状的测量数据，并将测量数据导入NCOD数据库系统中，调用NCOD数据库系统中的比例因子，获得裂纹深度及形状。

按上述方案，所述步骤5)具体包括如下步骤：

a.通过裂纹表面张口位移测量模块分析计算得到名义裂纹开口位移NCOD；

b.进入NCOD数据库系统，选取相应结构形式；

c.输入结构基本参数；

d.将步骤a中名义裂纹开口位移NCOD导入NCOD数据库系统；

e.NCOD数据库系统根据所导入的名义裂纹开口位移NCOD自动匹配比例因子α；

f.根据步骤e匹配的比例因子α绘出裂纹形状及深度。

按上述方案，所述步骤b中相应结构形式包括平板裂纹、对接接头裂纹、焊接接头裂纹、T型接头裂纹、腹板接头裂纹、脚板接头裂纹和圆管对接接头裂纹。

本发明的工作原理：测量装置利用应变片的特性，根据裂纹深度与裂纹开口位移与名义应变比值之间的关系，通过计算机编程对结构表面裂纹的深度及形状进行测量。

裂纹深度d与裂纹开口位移COD(CrackOpeningDisplacement)之间的关系推导如下：

根据线弹性断裂力学理论，三维无限大均质板I型裂纹开口位移COD与裂纹长度L和拉应力σ之间存在如下关系式：

$COD=\frac{4\mathrm{\σ}}{E}\sqrt{{\left(\frac{L}{2}\right)}^2-x^2}---\left(1\right)$

式中，E为弹性模量；为了避免裂纹开口处外加载荷的影响，定义NCOD为名义裂纹开口位移(NormalizedCrackOpeningDisplacement)，即在裂纹开口处，每单位名义应变ε_n所对应的裂纹开口位移COD，计算公式如下：

$NCOD=\frac{COD}{{\mathrm{\ϵ}}_n}---\left(2\right)$

根据胡克定理，每单位名义应变ε_n由下式得到：

${\mathrm{\ϵ}}_n=\frac{\mathrm{\σ}}{E}---\left(3\right)$

因此名义裂纹开口位移NCOD计算公式变为：

$NCOD=\sqrt{L^2-4x^2}---\left(4\right)$

由线弹性断裂力学知：

$COD=4\·\frac{\mathrm{\σ}d}{E}\·V\left(\frac{d}{T}\right)---\left(5\right)$

式中，T为板厚，d为裂纹深度；

故名义裂纹开口位移NCOD由下式得到：

NOCD＝4·d·V(d/T)(6)

由上可知名义裂纹开口位移NCOD与裂纹深度d之间近似的存在线性比例关系，即：

$\mathrm{\α}\left(x\right)=\frac{d\left(x\right)}{NOCD\left(x\right)}---\left(7\right)$

与现有技术相比，本发明的优点及能产生的积极效果：利用应变片的组合检测效果对结构表面裂纹的深度进行估测，通过动态应变仪输出波形确定裂纹开口位移，选择测量位置，无需附加设备提高测量点位置的精度，估测方法简单实用效果好，与实际裂纹形状吻合度高。装置结构简单，成本低，可广泛用于钢结构或混凝土结构表面裂纹的形状估测。

附图说明

图1为本发明裂纹深度及形状测量装置的工作结构示意图；

图2为图1中应变片组的结构示意图；

图3为图2中应变片组的每个应变片的结构示意图；

图4为结构构件表面裂纹示意图；

图5为本发明实施例裂纹深度及形状测量装置的使用说明图；

图6为本发明实施例裂纹深度及形状测量装置的应变片组和PVDF膜配合的结构示意图；

图7为本发明实施例载荷施加办法举例示意图；

图8为本发明实施例有无裂纹的输出电压波形图；

图9为本发明测量装置适用场合的示例图；

图中，100-裂纹深度及形状测量装置，101-应变片组，1011-对比应变片，102-PVDF膜，111-引线，112-基底，113-敏感栅，114-保护片，200-船体典型焊接结构构件表面，201-裂纹张口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步详细说明。

参照图1～图3所示，本发明所述的船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状的测量装置100，包括由多个应变片组成的应变片组101、动态应变仪、裂纹表面张口位移测量模块和NCOD数据库系统，所述应变片组101包含沿裂纹扩展方向横向排列分布的应变片以及纵向延长线上的对比应变片1011，应变片和对比应变片1011均为电阻式应变片，包括基底112、引线111、敏感栅113和保护片114，如图3所示，敏感栅113固定于基底112上，引线111从敏感栅113中引出，保护片114设置于敏感栅113上方、用于保护敏感栅113，各应变片与对比应变片1011一起置于PVDF膜102上，对比应变片1011起到一个参照物的作用，所有裂纹上方的应变片所测得数据均与对比应变片1011作比较，所述应变片组101通过信号线与动态应变仪连接，动态应变仪用于将应变片组101的应变数据转换成电压信号；所述裂纹表面张口位移测量模块连接到动态应变仪的闭合电路中，裂纹表面张口位移测量模块用于接收动态应变仪输出的电压信号并分析计算得到裂纹形状的测量数据，并将测量数据导入NCOD数据库系统中，调用NCOD数据库系统中的比例因子，获得裂纹深度及形状。

如图4所示的结构构件表面裂纹示意图，裂纹开口位移COD＝|dz1-dz2|。

参照图5～图8所示，本发明测量装置的测量方法，主要包括以下步骤：

1)选取船体典型焊接结构构件表面200的裂纹张口201，将应变片组的多个沿裂纹扩展方向横向排列分布的应变片大面积粘贴到整条裂纹张口201的上方，并将裂纹表面张口位移测量模块连接到动态应变仪的闭合电路中(测量模块电极连接在动态应变仪的闭合回路中)；

2)在零载荷下，调整设置应变片现有的电压值为基准值(调整输出电压)；

3)通过动态应变仪读取静电输出电压值；

4)对船体典型焊接结构表面200进行加载，用小锤在船体典型焊接结构表面200上进行敲击并对动态应变仪数据进行采集，记录动态应变仪输出的电压信号；

5)通过裂纹表面张口位移测量模块接收步骤4)中动态应变仪输出的电压信号，并对电压信号进行分析计算得到裂纹形状的测量数据，并将测量数据导入NCOD数据库系统中，调用NCOD数据库系统中的比例因子，获得裂纹深度及形状，具体包括如下步骤：

a.通过裂纹表面张口位移测量模块分析计算得到名义裂纹开口位移NCOD；

b.进入NCOD数据库系统，选取相应结构形式；

c.输入结构基本参数(如平板裂纹的长度和厚度)；

d.将步骤a中名义裂纹开口位移NCOD导入NCOD数据库系统；

e.NCOD数据库系统根据所导入的测量数据进行自动匹配比例因子α；

f.根据步骤e匹配的比例因子α绘出裂纹形状及深度。

如图9所示，本发明测量装置可以适用于多种场合，获取各种复杂结构表面裂纹的形状，如平板裂纹、对接接头裂纹、焊接接头裂纹、T型接头裂纹、腹板接头裂纹、脚板接头裂纹和圆管对接接头裂纹，适用范围广。

应理解，上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (5)

1.一种船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状的测量装置，其特征在于，包括由多个应变片组成的应变片组、动态应变仪、裂纹表面张口位移测量模块和NCOD数据库系统，所述应变片组包含沿裂纹扩展方向横向排列分布的应变片以及纵向延长线上的对比应变片，各应变片与对比应变片一起置于PVDF膜上，所述应变片组通过信号线与动态应变仪连接，动态应变仪用于将应变片组的应变数据转换成电压信号；所述裂纹表面张口位移测量模块连接到动态应变仪的闭合电路中，裂纹表面张口位移测量模块用于接收动态应变仪输出的电压信号并分析计算得到裂纹形状的测量数据，并将测量数据导入NCOD数据库系统中，调用NCOD数据库系统中的比例因子，获得裂纹深度及形状。

2.根据权利要求1所述的船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状的测量装置，其特征在于，所述应变片包括基底、引线、敏感栅和保护片，敏感栅固定于基底上，引线从敏感栅中引出，保护片设置于敏感栅上方。

3.一种上述权利要求1～2所述的测量装置的测量方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

1)选取船体典型焊接结构构件表面的裂纹张口，将应变片组的多个沿裂纹扩展方向横向排列分布的应变片覆盖粘贴到整条裂纹张口的上方，并将裂纹表面张口位移测量模块连接到动态应变仪的闭合电路中；

2)在零载荷下，调整设置应变片现有的电压值为基准值；

3)通过动态应变仪读取静电输出电压值；

4)对船体典型焊接结构表面进行加载，用小锤在船体典型焊接结构表面上进行敲击并对动态应变仪数据进行采集，记录动态应变仪输出的电压信号；

5)通过裂纹表面张口位移测量模块接收步骤4)中动态应变仪输出的电压信号，并进行分析计算得到裂纹形状的测量数据，并将测量数据导入NCOD数据库系统中，调用NCOD数据库系统中的比例因子，获得裂纹深度及形状。

4.如权利要求3所述的船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状的测量方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括如下步骤：

a.通过裂纹表面张口位移测量模块分析计算得到名义裂纹开口位移NCOD；

b.进入NCOD数据库系统，选取相应结构形式；

c.输入结构基本参数；

d.将步骤a中名义裂纹开口位移NCOD导入NCOD数据库系统；

e.NCOD数据库系统根据所导入的名义裂纹开口位移NCOD自动匹配比例因子α；

f.根据步骤e匹配的比例因子α绘出裂纹形状及深度。

5.如权利要求4所述的船体典型焊接结构表面裂纹深度及形状的测量方法，其特征在于，所述步骤b中相应结构形式包括平板裂纹、对接接头裂纹、焊接接头裂纹、T型接头裂纹、腹板接头裂纹、脚板接头裂纹和圆管对接接头裂纹。