CN106840926A - 多功能钢结构裂纹监测试验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能钢结构裂纹监测试验平台，试件一端通过法兰与试件右支撑臂连接，试件右支撑臂尾部与支架之间通过可拆卸的第五固定销轴连接，试件右支撑臂中部通过第三固定销轴与液压推杆头部的圆孔连接，液压推杆的底部通过第四固定销轴固定在支架上，试件另一端通过第二固定销轴与拉杆铰接，拉杆与支架通过第一固定销轴连接；光纤光栅应变测量传感网络的宽带光源、光隔离器、3dB耦合器、光纤光栅传感器网络通过光纤链路依次串联，3dB耦合器再与波长解调单元光纤连接，波长解调单元通过并口与信号处理系统相连。可以实现不同外形金属试件的简支加载、悬臂加载、特殊位置加载等多种加载方式，从而实现对金属结构在不同载荷状态下裂纹监测，具有通用性强、操作方便的特点。

Description

多功能钢结构裂纹监测试验平台
技术领域
本发明涉及一种钢结构监测试验平台，特别特别是涉及一种多功能钢结构裂纹监测试验平台。
背景技术
钢结构裂纹监测试验平台的功能是监测钢结构在一定的载荷方式下，裂纹的出现及扩展状况。门座起重机、桥式集装箱岸边起重机、斗轮堆取料机之类的大型装卸机械设备，都采用金属结构作为其承载构件。在工作过程中，金属结构受到较大的载荷或长时间承受交变载荷时，可能出现裂纹，影响设备的正常使用，甚至造成安全事故。钢结构裂纹监测试验，是为了在试验平台上模拟金属结构所受到的载荷状态，监测并记录其裂纹的产生与扩展过程，为工程实际中的金属裂纹监测提供依据。
目前，单方向伺服压力机已经商业化，拉力试验机能够通过软件记录应力最大值与位移，计算出抗拉强度、屈服强度等数值。由于不同部位的金属结构，其几何外形与载荷状况不尽相同，普通单方向静力试验机很难对其进行测试测验。而金属裂纹实验多在疲劳试验机上完成，对于需要特殊载荷的复合疲劳实验场合，可利用带有伺服作动器的现代疲劳试验机，但其最大缺点是设备结构复杂，操作繁复。金属材料在拉、压或拉-压交变载荷下的疲劳性能，多用高频疲劳试验机，但需要专用夹具辅助。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以实现多种加载方式，并适用于各种外形的监测试件的多功能钢结构裂纹监测试验平台。
本发明实现上述目的的技术方案是：多功能金属结构裂纹监测试验平台，包括拉杆、可调节的试件右支撑臂、试件左支撑臂、第一固定销轴、第二固定销轴、第三固定销轴、第四固定销轴、第五固定销轴、支架、液压推杆、光纤光栅应变测量传感网络。试件一端通过法兰与试件右支撑臂连接，试件右支撑臂尾部与支架之间通过可拆卸的第五固定销轴连接，试件右支撑臂中部通过第三固定销轴与液压推杆头部的圆孔连接，液压推杆的底部通过第四固定销轴固定在支架上，试件另一端通过第二固定销轴与拉杆铰接，拉杆与支架通过第一固定销轴连接；光纤光栅应变测量传感网络的宽带光源、光隔离器、3dB耦合器、光纤光栅传感器网络通过光纤链路依次串联，3dB耦合器再与波长解调单元光纤连接，波长解调单元通过并口与信号处理系统相连。
在上述方案中，所述的试件右支撑臂、试件左支撑臂为箱型梁，其侧边设有一系列圆孔，通过第三固定销轴、第五固定销轴分别与支架或液压推杆头部圆孔铰接；其端部的法兰上成矩形分布有一圈螺栓孔，通过螺栓固定试件；通过调节试件右支撑臂、试件左支撑臂与支架销轴连接的位置，能够适应不同试件与不同加载类型。
在上述方案中，所述的光纤光栅传感器网络选用贴式封装的光纤光栅作为监测用传感器，具有温度补偿功能的光纤光栅直角应变花焊在试件预测裂纹区，一根光纤上串联多支光纤光栅，采用时分/波分方式，形成光纤光栅传感器网络。
在上述方案中，所述的信号处理系统采用北京基康系统，能够实现多通道多传感器的同时测量。
由宽带光源发出的宽带光信号经过光隔离器，再经过3dB耦合器的传感光纤传输到串接的光纤光栅传感器网络上，来自光纤光栅传感器网络的后向散射光再经过3dB耦合器耦合到接受通道，3dB耦合器导引光纤光栅传感器网络反射光至波长解调单元；波长解调单元对这些波长进行识别，得到应力传感信息，信号处理系统对数字信号进行双通道采集，并进行数据处理，从而得到裂纹敏感区的应力情况。
本发明的有益效果在于：通过调节试件右支撑臂、试件左支撑臂与支架之间的相对位置，可以实现不同外形金属试件的简支加载、悬臂加载、特殊位置加载等多种加载方式，从而实现对金属结构在不同载荷状态下裂纹监测，具有通用性强、操作方便的特点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的具有温度补偿功能的光纤光栅直角应变花示意图。
图3是本发明的光纤光栅应变测量传感网络示意图。
图4是本发明进行简支加载试验的示意图。
图5是本发明进行悬臂加载试验的示意图。
图6是本发明进行特殊位置加载试验的示意图。
图7是本发明的试件支撑臂结构正视图。
图8是本发明的试件支撑臂A-A截面视图。
图9是本发明所用的三点压弯试件正视图
图10是本发明钢所用的三点压弯试件臂B-B截面视图
图11是本发明所用的偏心拉伸(压缩)单耳板试件正视图。
图12是本发明所用的偏心拉伸(压缩)试件单耳板左视图。
图13是本发明所用的偏心拉伸(压缩)双耳板试件正视图。
图14是本发明钢结构裂纹监测试验平台所用的偏心拉伸(压缩)双耳板试件左视图。
图15是本发明所用的偏心拉伸(压缩)带有箱型底座的耳板试件正视图。
图16是本发明所用的偏心拉伸(压缩)带有箱型底座的耳板试件左视图。
图17是本发明钢所用的偏心拉伸(压缩)带有箱型底座的耳板试件俯视图，。
图中，1.第一固定销轴，2.拉杆，3.第二固定销轴，4.试件右支撑臂，5.第三固定销轴，6.液压推杆，7.第四固定销轴，8.支架，9.第五固定销轴，10.试件左支撑臂，11.三点压弯试件，12.偏心拉伸(压缩)试件，13.宽带光源，14.光隔离器，15. 3dB耦合器，16.光纤光栅，17.光纤光栅传感器网络，18.波长解调单元，19.信号处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明：
如图1、图3所示，本发明包括拉杆2、可调节的试件右支撑臂4、试件左支撑臂10、第一固定销轴1、第二固定销轴3、第三固定销轴5、第四固定销轴7、第五固定销轴9、支架8、液压推杆6、光纤光栅应变测量传感网络。试件一端通过法兰与试件右支撑臂4连接，试件右支撑臂4尾部与支架8之间通过可拆卸的第五固定销轴9连接，试件右支撑臂4中部通过第三固定销轴5与液压推杆6头部的圆孔连接，液压推杆6的底部通过第四固定销轴7固定在支架8上，试件另一端通过第二固定销轴3与拉杆2铰接，拉杆2与支架8通过第一固定销轴1连接；光纤光栅应变测量传感网络的宽带光源13、光隔离器14、3dB耦合器15、光纤光栅传感器网络17通过光纤链路依次串联，3dB耦合器15再与波长解调单元18光纤连接，波长解调单元18通过并口与信号处理系统19相连。
本实施例中，本发明的刚度、强度均远大于试件的刚度、强度；试验时，通过试件下部的液压推杆6进油伸出，对试件进行加载；焊接在试件上的光纤光栅16监测试件应力变化情况；试件加载力可由压力表测出；试件裂纹长度通过在裂纹区涂墨后直接测量或高清摄像后对照标尺读出。
本实施例中，选用贴式封装的光纤光栅16作为监测用传感器，使用时，将光纤光栅16焊在试件裂纹敏感区，由于观测信号是多个未知数目的源信号的混叠，所以需搭建如图2所示的具有温度补偿功能的光纤光栅直角应变花和如图3所示的光纤光栅应变测量传感网络，并在后续处理中采用改进的分离算法，滤除干扰源，得到所需单个信号。
如图3所示，光纤光栅应变测量传感网络包括宽带光源13，即发光二极管LED、光隔离器14、3dB耦合器15、光纤光栅传感器网络17、波长解调单元18、信号处理系统19。一根光纤上串联多支光纤光栅16，采用时分/波分方式，形成光纤光栅传感器网络17；采用可调谐可调F-P滤波器用于波长编码的解调；采用北京基康系统作为信号处理系统19，实现多通道多传感器的同时测量。
下面对本发明的三种加载试验进行详细的描述。
如图4所示，在进行简支加载试验时，三点压弯试件11左端通过法兰与试件左支撑臂10螺栓连接，试件左支撑臂10通过可拆卸的第一固定销轴1与支架8连接，液压推杆6底部通过第四固定销轴7与支架8连接，三点压弯试件11右端通过法兰与试件右支撑臂4螺栓连接，试件右支撑臂4通过可拆卸的第五固定销轴9与支架8连接；液压推杆6进油，推杆推出对三点压弯试件11加载，加载点在三点压弯试件11的下翼板面几何中心，监测点位于三点压弯试件11的翼板及腹板中部。
如图5、图6所示，悬臂加载、特殊位置加载试验时，支架8通过第一固定销轴1与拉杆2连接，拉杆2通过第二固定销轴3与偏心拉伸(压缩)试件12连接，偏心拉伸(压缩)试件12通过法兰与试件右支撑臂4螺栓连接，试件右支撑臂4中部通过可拆卸的第三固定销轴5与液压推杆6头部圆孔连接，试件右支撑臂4尾部通过第五固定销轴9与支架8连接，液压推杆6底部通过第四固定销轴7与支架8连接。
如图5所示，当拉杆2几何中心线与偏心拉伸(压缩)试件12几何中心线垂直时，可进行悬臂加载试验；如图6所示，当拉杆2几何中心线与偏心拉伸(压缩)试件12几何中心线成任一角度时，可进行特殊位置加载试验。
下面结合三种偏心拉伸(压缩)试件12进行详细说明，具体为图11、图12所示的单耳板试件，图13、图14所示双耳板试件和图15、图16、图17所示的一种带有箱型底座的单耳板试件。加载点均为偏心拉伸(压缩)试件12的耳板销孔处，所不同的是：图11、图12所示的单耳板试件，监测点位于耳板销孔附近区域，图13、图14所示双耳板试件，监测点位于底板焊接处，图15、图16、图17所示的一种带有箱型底座的单耳板试件，监测点位于箱型结构上翼板与耳板焊接区域。
如图7、图8所示，试件右支撑臂4、试件左支撑臂10的基本结构为箱型梁，其侧边有一系列圆孔，通过第一固定销轴1、第五固定销轴9、第三固定销轴5可以灵活的与支架8或液压推杆6头部圆孔铰接；其端部的法兰上成矩形分布有一圈螺栓孔，通过螺栓可以方便的固定试件。
如图9、图10所示，所用的三点压弯试件11的两端均焊接法兰，用以通过螺栓与试件右支撑臂4、试件左支撑臂10连接。
如图11、图12所示，所用的偏心拉伸(压缩)试件12为单耳板试件，其上部留有销孔，用以通过第二固定销轴3与拉杆2连接，其底部焊接法兰，用以通过螺栓与试件右支撑臂4连接。
如图13、图14所示，所用的偏心拉伸(压缩)试件12为双耳板试件，其上部留有销孔，用以通过第二固定销轴3与拉杆2连接，其底部焊接法兰，用以通过螺栓与试件右支撑臂4连接。
如图15、图16、图17所示，所用的偏心拉伸(压缩)试件12为带有箱型底座的耳板试件，其上部焊接耳板，耳板留有销孔，用以通过第二固定销轴3与拉杆2连接，其中部的箱型结构分布有加劲肋，侧边留则留有自由边，其底部焊接法兰，用以通过螺栓与试件右支撑臂4连接。
通过调节试件右支撑臂4、试件左支撑臂10与支架8之间的相对位置，可以实现不同外形金属试件的简支加载、悬臂加载、特殊位置加载等多种加载方式，从而实现对金属结构在不同载荷状态下的裂纹监测。

Claims (4)

1.一种多功能钢结构裂纹监测试验平台，其特征在于：包括拉杆(2)、可调节的试件右支撑臂(4)、试件左支撑臂(10)、第一固定销轴(1)、第二固定销轴(3)、第三固定销轴(5)、第四固定销轴(7)、第五固定销轴(9)、支架(8)、液压推杆(6)、光纤光栅应变测量传感网络；试件一端通过法兰与试件右支撑臂(4)连接，试件右支撑臂(4)尾部与支架(8)之间通过可拆卸的第五固定销轴(9)连接，试件右支撑臂(4)中部通过第三固定销轴(5)与液压推杆(6)头部的圆孔连接，液压推杆(6)的底部通过第四固定销轴(7)固定在支架(8)上，试件另一端通过第二固定销轴(3)与拉杆(2)铰接，拉杆(2)与支架(8)通过第一固定销轴(1)连接；光纤光栅应变测量传感网络的宽带光源(13)、光隔离器(14)、3dB耦合器(15)、光纤光栅传感器网络(17)通过光纤链路依次串联，3dB耦合器(15)再与波长解调单元(18)光纤连接，波长解调单元(18)通过并口与信号处理系统(19)相连。
2.根据权利要求1所述的多功能钢结构裂纹监测试验平台，其特征在于：所述的试件右支撑臂(4)、试件左支撑臂(10)为箱型梁，其侧边设有一系列圆孔，通过第三固定销轴(5)、第五固定销轴(9)分别与支架(8)或液压推杆(6)头部圆孔铰接；其端部的法兰上成矩形分布有一圈螺栓孔，通过螺栓固定试件；通过调节试件右支撑臂(4)、试件左支撑臂(10)与支架(8)销轴连接的位置，能够适应不同试件与不同加载类型。
3.根据权利要求1或2所述的多功能钢结构裂纹监测试验平台，其特征在于：所述的光纤光栅传感器网络(17)选用贴式封装的光纤光栅(16)作为监测用传感器，具有温度补偿功能的光纤光栅直角应变花焊在试件预测裂纹区，一根光纤上串联多支光纤光栅(16)，采用时分/波分方式，形成光纤光栅传感器网络(17)。
4.根据权利要求3所述的多功能钢结构裂纹监测试验平台，其特征在于：所述的信号处理系统(19)采用北京基康系统，能够实现多通道多传感器的同时测量。
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