CN106896025A - 一种用于胶粘接头内部疲劳裂纹扩展试验测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试系统，其包括直流电源(1)、电阻箱(2)、信号采集系统(4)、夹具(5)、疲劳试验机(6)和若干导线(7)，其特征在于：其特征在于：试样(3)安装在夹具(5)上，夹具(5)和疲劳试验机(6)通过螺纹直接相连；将直流电源(1)、电阻箱(2)和试样(3)通过导线(7)串联成闭合回路；信号采集系统(4)通过导线(7)连接在试样(3)两端，用于采集试样(3)两端的电压信号，并在信号采集系统(4)的显示器上显示；本发明在测量内部裂纹扩展时，能够实时检测试样内部裂纹的扩展行为，减少不必要的实验误差，解决光学测量法的局限性，更接近实际加载过程。

Description

一种用于胶粘接头内部疲劳裂纹扩展试验测试系统

技术领域

本发明属于材料性能测量设备技术领域，具体是指一种用于胶粘接头内部疲劳裂纹扩展试验测试系统

背景技术

随着胶接技术作为连接技术的优势越来越明显，胶接技术广泛用于汽车、航空航天以及一些大型机器中，但是这些胶接部分在制造过程中，不可避免会出现一些异物夹杂，刀具划痕等缺陷，而且在服役过程中承受周期性疲劳载荷，长期服役情况下这些载荷不可避免导致这些微观裂纹进行扩展，当达到临界状态时必然导致非稳态断裂而失效。故而，进行研究胶粘接头在疲劳载荷下的裂纹扩展行为非常重要。

目前,国内外对胶粘结构疲劳寿命研究的方法大多是通过光学方法、应变片法以及柔度法进行测量，这对于大多数在接头内部出现裂纹的试样以及对于测量的裂纹长度的精确度有很大的局限性。而且有人采用双悬臂梁试样进行试验，该试样用胶粘剂将两块被粘物薄板粘接在一起,形成三明治结构，试验开始前,在胶粘剂与被粘物界面预制一个裂纹,然后在垂直于粘接界面方向施加拉伸疲劳载荷。该试验的局限性在于裂纹为单侧扩展，而且利用光学测量法观测表面裂纹长度，这既不能精确模拟实际裂纹扩展行为，也不能对内部裂纹进行实时检测，所以需要特殊的能进行测量接头内部裂纹扩展行为的系统。

发明内容

针对胶粘连接在各种工程中服役时所发生的疲劳裂纹扩展问题，本发明设计了一种用于胶粘接头内部疲劳裂纹扩展试验测试系统，利用信号采集系统为辅助装置，实时监测胶粘接头内部裂纹扩展行为，计算裂纹扩展速率，进而求出胶粘接头的疲劳寿命。

本发明的技术方案是提供了一种用于胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试系统，其包括直流电源、电阻箱、信号采集系统、夹具、疲劳试验机和若干导线，其特征在于：试样安装在夹具上，夹具和疲劳试验机通过螺纹直接相连；将直流电源、电阻箱和试样通过导线串联成闭合回路；信号采集系统通过导线连接在试样两端，用于采集试样两端的电压信号，并在信号采集系统的显示器上显示；

夹具通过上夹头的上夹头螺纹和疲劳试验机上螺纹连接固定，通过下夹头固定杆的下夹头螺纹与疲劳试验机下螺纹连接在固定；

夹具的上夹头设有上夹头扳手夹持面；下夹头固定杆上设有下夹头扳手夹持面；

下夹头的下夹头上定位销孔和下夹头固定杆的下夹头下定位销孔轴线重合时，定位销插入销孔，固定夹具的位置，并传递来自疲劳试验机的载荷。

本发明还提供了利用测试系统进行胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：制作试样，清除试样表面污垢；

该步骤中，将圆金属磨平，用丙酮清洗并用砂纸打磨圆金属片面，达到胶粘表面条件，将上螺杆与上螺母与垫片配合安装在金属片上，在中部预埋圆形玻璃纸代替裂纹，将胶粘剂均匀涂抹在玻璃纸周围，采用直径与胶层等厚的铜丝控制胶粘厚度，将两片圆金属片粘接在一起，胶层完全固化后试件制备完成；

步骤2：在疲劳试验机上安装试样的夹具；

夹具上夹头、下夹头固定杆的材料为绝缘尼龙材料，安装夹具时，将夹具上夹头、下夹头固定杆通过螺纹连接分别安装在疲劳试验机的上下两端；

步骤3：在夹具上安装试样，保证夹具和试样的对中性；

该步骤中，上夹头和下夹头都开有与试样螺杆相配合的螺纹孔，通过螺纹连接固定试样，并且通过上螺杆，下螺杆给试样施加集中载荷；

步骤4：连接电路，并根据试样电阻值，调节分压电阻电阻箱至合适值；

步骤5：将信号采集系统通过导线连接到试样的两端，采集试样两端的电压信号，并输出数据；

步骤6：确定疲劳实验测试参数；

根据试样的拉伸强度确定疲劳试验中加载载荷值、载荷比以及加载波形，并根据信号采集系统的信号采集频率确定疲劳试验的加载频率；

步骤7：在疲劳试验中设置步骤中确定的疲劳测试参数，同时打开信号采集系统和疲劳试验机，开始测试，直至试样完全断裂；

步骤8：根据疲劳试验机输出的力-位移曲线和疲劳循环次数以及信号采集系统4采集到的电压-时间曲线得出裂纹长度与电阻之间的关系

本发明针对传统裂纹测量方法在内部疲劳裂纹扩展测量时的不足，创新性的结合物理电学的方法，提出一种准确测量试样内部疲劳裂纹扩展的方法和系统，本发明的有益效果在于：

(1)本发明在测量内部裂纹扩展时，与光学法相比，能够实时检测试样内部裂纹的扩展行为，而不必中断试验加载过程，减少不必要的实验误差，解决光学测量法的局限性，更接近实际加载过程。

(2)本发明在测量内部裂纹扩展时，由于电学信号的灵敏性，与柔度测量法相比，有更高的精确度。

(3)本发明在测量内部裂纹扩展时，与应变片测量法相比，在保证精确度的前提下，可以重复利用，节约实验测量成本。

(4)本发明在测量内部裂纹扩展时，内部裂纹测量系统各组件安装简单，操作容易。

(5)本发明在测量内部裂纹扩展时，根据特殊的试样，推倒出电阻和裂纹长度的关系式，这为其他形状试样的裂纹长度与电阻的关系式的推倒提供一种新方法。

(6)本发明在测量内部裂纹扩展时，针对特殊形状的试样，推出试样随着裂纹扩展，应力强度因子与裂纹长度的表达式，为推出裂纹扩展模型提供数据依据。

(7)本发明在测量内部裂纹扩展时，推倒出预测Ⅰ型裂纹扩展模型的方法，为裂纹扩展预测提供理论模型。

附图说明

图1为本发明用于胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试系统的试验装置整体结构示意图；

图2为本发明所述装夹结构示意图；

图3为本发明所述夹具各部分结构示意图；

图4为本发明所述试验夹具安装试样结构示意图；

图5(a)-(b)为本发明所述的试样结构示意图；

图6为本发明用于胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试系统的电路图；

图7为本发明的具体实施例中裂纹长度与循环周次的图。

其中：1-直流电源，2-电阻箱，3-试样，4-信号采集系统，5-夹具，6-疲劳试验机，301-垫片，302-上螺杆，303-上螺母，304-金属片，305-胶层，306-下螺杆，510-上夹头，511-上夹头螺纹孔，512-上夹头扳手夹持面，513-上夹头螺纹，520-下夹头，521-下夹头螺纹孔，522-下夹头上定位销孔，530-定位销，540-下夹头固定杆，541-下夹头下定位销孔，542-上夹头扳手夹持面，543-下夹头螺纹，601-疲劳试验机上螺纹，602-疲劳试验机下螺纹。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，该实施例提供了一种用于胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试系统，其包括直流电源1、电阻箱2、试样3、信号采集系统4、夹具5、疲劳试验机6和若干导线7。其中：试样3安装在夹具5上，夹具5和疲劳试验机6通过螺纹直接相连。将直流电源1、电阻箱2和试样3通过导线7串联成闭合回路。信号采集系统4通过导线7连接在试样3两端，用于采集试样3两端的电压信号，并在信号采集系统4的显示器上显示。

如图2、图3所示，夹具5通过上夹头510的上夹头螺纹513和疲劳试验机上螺纹601连接固定，通过下夹头固定杆540的螺纹543与疲劳试验机下螺纹602连接在固定。

如图3所示，夹具5上夹头510上有上夹头扳手夹持面512以及下夹头固定杆540上的下夹头扳手夹持面542是为方便扳手安装和拆卸夹具。

如图3、图4所示，下夹头520的下夹头上定位销孔522和下夹头固定杆540的下夹头下定位销孔541轴线重合时，定位销530插入销孔，固定夹具5的位置，并传递来自疲劳试验机6的载荷。

如图5所示，试样3有上螺杆302和下螺杆306，用来安装在图3所示的夹具5上时，分别和上夹头510上的上夹头螺纹孔511、下夹头520上的下夹头螺纹孔521进行螺纹连接，固定试样3。

如图6所示，测量内部裂纹扩展系统的电路图，直流电源1、电阻2和试样3组成串联电路，信号采集系统4直接采集试样3两端的电压。

本发明还提供了一种胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试方法，该方法具体包括：

步骤1：制作试样3，并清除试样3表面污垢；

该步骤中，进行疲劳实验前，先制作如图5所示试样3，为构成闭合的电路，胶粘剂采用强度高的而且可导电的环氧导电胶粘剂，试样3的被粘物材料采用中等程度强度，耐腐蚀性的铝合金。将圆金属片304磨平，用丙酮清洗并用砂纸打磨圆金属片304表面，达到胶粘表面条件，将上螺杆302与上螺母303与垫片301配合安装在金属片上，在中部预埋圆形玻璃纸代替裂纹，将胶粘剂均匀涂抹在玻璃纸周围，采用直径与胶层等厚的铜丝控制胶粘厚度，将两片金属片粘接在一起，胶层305完全固化后试件制备完成。

步骤2：在疲劳试验机6上安装试样3的夹具5；

如图3所示，该步骤中，为保证实验的准确性，消除设备电阻的影响，夹具上夹头510、下夹头固定杆540的材料位刚性较大的绝缘尼龙材料，安装夹具5时，将夹具上夹头510、下夹头固定杆540通过螺纹连接分别安装在疲劳试验机6的上下两端。

步骤3：在夹具5上安装试样3，保证夹具5和试样3的高度对中性。

该步骤中，试样3受拉-拉疲劳循环载荷时，为消除其他载荷的作用，保证试样3的高度对中性，上夹头510和下夹头520都开有与试样螺杆302相配合的螺纹孔，通过螺纹连接固定试样3，并且通过上螺杆302，下螺杆306给试样3施加集中载荷。如图4所示，通过上升疲劳试验机6，直至下夹头502与下夹头固定杆540完成配合，下夹头上定位销孔522、下夹头下定位销孔541在同一轴线上，将定位销530插入下夹头上定位销孔522、下夹头下定位销孔541，试样3安装完毕。

步骤4：连接电路，并根据试样3电阻值，调节分压电阻电阻箱至合适值。

如图5所示，在该步骤中，将直流电源1、电阻箱2、试样3、导线7组成串联闭合回路，用欧姆表测量试样3的电阻，并根据试样3电阻值调节电阻箱2的电阻值，使得电阻箱2的值与试样3电阻相等，这利于信号采集系统4采集试样3两端的电压值；

步骤5：将信号采集系统4通过导线7连接到试样3的两端，采集试样3两端的电压信号，并输出数据；

该步骤中，信号采集系统4利用NI信号采集器并结合信号分析软件Labview对试样3两端的电压信号进行采集与分析；

步骤6：确定疲劳实验测试参数；

在该步骤中，根据试样3的拉伸强度确定疲劳试验中加载载荷值、载荷比以及加载波形，并根据信号采集系统4的信号采集频率确定疲劳试验的加载频率，使得疲劳试验机6数据采集与信号采集系统4采集的频率相互协调、使数据比较准确；

步骤7：在疲劳试验中设置步骤6中确定的疲劳测试参数，同时打开信号采集系统4和疲劳试验机6，开始测试，直至试样3完全断裂；

在该步骤中，确定设置的疲劳测试参数准确，并同时打开信号采集系统4和开始疲劳测试试验，保证数据采集的同时性；

步骤8：根据疲劳试验机6输出的力-位移曲线和疲劳循环次数以及信号采集系统4采集到的电压-时间曲线得出裂纹长度与电阻之间的关系；

在该步骤中，将信号采集系统4采集的电压数据根据欧姆定律进而得出电阻-寿命变化曲线，然后根据通过微元法推出的试样电阻-裂纹长度的关系式(1)，得出循环次数N和裂纹的增长量Δa的关系，进而得出裂纹扩展时的裂纹扩展速率da/dN的变化情况。

式中a₀是指初始裂纹长度，a是指随着疲劳试验而变化的裂纹长度值，ΔR是指试样微元电阻，R₀是指初始电阻，R′是随着裂纹扩展而变化的实时电阻。

利用本发明的用于测试内部疲劳裂纹试验的测试系统和测试方法，根据上述实验步骤，实施金属胶接内部疲劳裂纹扩展试验，得到裂纹长度与疲劳循环寿命的关系图，具体如图7所示：

图7得到的裂纹长度与循环周次的图(a-N图)能准确的反映随着疲劳载荷循环加载，裂纹扩展的行为，图像曲线轻微波动主要是由于载荷为拉-拉疲劳循环载荷，当载荷为较大载荷时，裂纹会张开，当载荷较小时，裂纹张开角度会变小，所以电阻会随着载荷的变化会发生变化，裂纹长度相应的也会发生变化，这能真实地反映内部裂纹的扩展行为，也能实时地监测内部裂纹扩展。

在上述测试系统及实验方法的基础上，本发明又针对试样3区别于双悬臂梁的特殊的圆盘形状，根据断裂力学中描述裂纹扩展的关系式Pairs公式(2)，推出关于Ⅰ型疲劳裂纹扩展的预测模型。

式中表示裂纹扩展速率，C和n是与材料相关的常数，ΔK为应力强度因子幅值。

由上述测试系统和测量方法已经求出裂纹长度和循环周次的关系图像(a-N图)，在此基础上，根据试样3的特殊圆盘形状和通过螺杆加载的集中拉伸载荷的加载方式推出应力强度因子幅值ΔK与裂纹长度a的关系式(3)：

式中P为施加在试样3上集中拉伸载荷，a、b分别为圆盘预制裂纹的半径和试样半径，σ_n为试样应力分布，K_max和K_min分别为疲劳循环测试中对应最大应力和最小应力下的应力强度因子。

通过上述测试系统测试得到的实验数据(a-N图)和理论推倒得到的理论数据(ΔK-a)拟合可以得到Paris公式的常数，通过积分可以得到试样疲劳寿命与裂纹长度的预测模型(4)，根据该模型可以对Ⅰ型疲劳裂纹扩展进行预测。

式中a₀为试样初时裂纹尺寸，a_c为试样发生断裂时的裂纹时尺寸，N_c为裂纹扩展a_c时的疲劳循环寿命。

虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试系统，其包括直流电源(1)、电阻箱(2)、信号采集系统(4)、夹具(5)、疲劳试验机(6)和若干导线(7)，其特征在于：其特征在于：：试样(3)安装在夹具(5)上，夹具(5)和疲劳试验机(6)通过螺纹直接相连；将直流电源(1)、电阻箱(2)和试样(3)通过导线(7)串联成闭合回路；信号采集系统(4)通过导线(7)连接在试样(3)两端，用于采集试样(3)两端的电压信号，并在信号采集系统(4)的显示器上显示；

夹具(5)通过上夹头(510)的上夹头螺纹(513)和疲劳试验机上螺纹(601)连接固定，通过下夹头固定杆(540)的下夹头螺纹(543)与疲劳试验机下螺纹(602)连接在固定；

夹具(5)的上夹头(510)设有上夹头扳手夹持面(512)；下夹头固定杆(540)上设有下夹头扳手夹持面(542)；

下夹头(520)的下夹头上定位销孔(522)和下夹头固定杆(540)的下夹头下定位销孔(541)轴线重合时，定位销(530)插入销孔，固定夹具(5)的位置，并传递来自疲劳试验机(6)的载荷。

2.根据权利要求1所述的一种用于胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试系统，其特征在于：试样(3)有上螺杆(302)和下螺杆(306)，用来安装在夹具(5)上时，分别和上夹头(510)上的上夹头螺纹孔(511)、下夹头(520)上的下夹头螺纹孔(521)进行螺纹连接，从而固定试样(3)。

3.根据权利要求1所述的一种用于胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试系统，其特征在于：直流电源(1)、电阻(2)和试样(3)组成串联电路，信号采集系统(4)直接采集试样(3)两端的电压。

4.一种利用权利要求1所述的测试系统进行胶粘接头内部裂纹扩展试验的测试方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：制作试样(3)，并清除试样(3)表面污垢；

该步骤中，将圆金属片(304)磨平，用丙酮清洗并用砂纸打磨圆金属片(304)表面，达到胶粘表面条件，将上螺杆(302)与上螺母(303)与垫片(301)配合安装在金属片上，在中部预埋圆形玻璃纸代替裂纹，将胶粘剂均匀涂抹在玻璃纸周围，采用直径与胶层等厚的铜丝控制胶粘厚度，将两片圆金属片(304)粘接在一起，胶层(305)完全固化后试件制备完成；

步骤2：在疲劳试验机(6)上安装试样(3)的夹具(5)；

夹具上夹头(510)、下夹头固定杆(540)的材料为绝缘尼龙材料，安装夹具(5)时，将夹具上夹头(510)、下夹头固定杆(540)通过螺纹连接分别安装在疲劳试验机(6)的上下两端；

步骤3：在夹具(5)上安装试样(3)，保证夹具(5)和试样(3)的对中性；

该步骤中，上夹头(510)和下夹头(520)都开有与试样螺杆(302)相配合的螺纹孔，通过螺纹连接固定试样(3)，并且通过上螺杆(302)，下螺杆(306)给试样(3)施加集中载荷；

步骤4：连接电路，并根据试样(3)电阻值，调节分压电阻电阻箱至合适值；

步骤5：将信号采集系统(4)通过导线(7)连接到试样(3)的两端，采集试样(3)两端的电压信号，并输出数据；

步骤6：确定疲劳实验测试参数；

根据试样(3)的拉伸强度确定疲劳试验中加载载荷值、载荷比以及加载波形，并根据信号采集系统(4)的信号采集频率确定疲劳试验的加载频率；

步骤7：在疲劳试验中设置步骤(6)中确定的疲劳测试参数，同时打开信号采集系统(4)和疲劳试验机(6)，开始测试，直至试样(3)完全断裂；

步骤8：根据疲劳试验机(6)输出的力-位移曲线和疲劳循环次数以及信号采集系统(4)采集到的电压-时间曲线得出裂纹长度与电阻之间的关系。

5.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于；在步骤3中，通过上升疲劳试验机(6)，直至下夹头(502)与下夹头固定杆(540)完成配合，下夹头上定位销孔(522)、下夹头下定位销孔(541)在同一轴线上，将定位销(530)插入下夹头上定位销孔(522)、下夹头下定位销孔(541)，试样(3)安装完毕。

6.根据权利要求4所述的测试方法，其特征在于；在步骤4中，将直流电源(1)、电阻箱(2)、试样(3)、导线(7)组成串联闭合回路，用欧姆表测量试样(3)的电阻，并根据试样(3)电阻值调节电阻箱(2)的电阻值，使得电阻箱(2)的值与试样(3)电阻相等。