CN107389460A - 液压加载试验机的材料水平断裂检测与安全处理控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了液压加载试验机的材料水平断裂检测方法，包括材料水平断裂检测方法与材料断裂检测算法。本发明还公开了一种液压加载试验机的材料水平断裂安全处理控制方法，包括材料断裂安全处理措施与安全处理控制方法。通过本发明，解决了材料试验机试验中材料断裂后对材料进行二次加载造成损伤、以及材料二次加载过程造成爆炸事故、过程不可控等问题，满足实验室或者工业科研生产对材料负荷强度测量、特别是危险材料的负荷强度安全、可控、材料无损伤测量需求。本发明实现了含能材料负荷强度测量功能，满足了含能材料负荷强度测量过程中安全、可控、对材料无二次损伤要求。

Description

液压加载试验机的材料水平断裂检测与安全处理控制方法
技术领域
本发明涉及一种检测与控制方法，具体涉及一种液压加载试验机的材料水平断裂检测与安全处理控制方法，属于机械设备检测控制技术领域。
背景技术
材料可承载负荷强度是材料性能评估与材料力学测试的一项重要参数，直接关系到材料的力学结构性能。军工行业中，有些功能材料既作为战斗部的高能部件，又作为武器系统的支撑结构件，其力学性能直接关系到武器系统的可靠性与安全性。现有的材料力学负载强度测量一般借用材料试验机，工业上一般以电子伺服式材料试验机为主。电子式材料试验机具有装置结构简单、可进行位移控制、运行过程干净、环保等优点，但加载载荷力小、载荷力控制精度差。相比于电子伺服式材料试验机，液压驱动型加载机具备加载力大、加载精度高、加载过程柔顺性好等优点，特别适合于大吨位加载力、精确控制加载、防爆安全等需求。
一种新型材料需评价材料的承载负荷强度，高精度测量到材料的断裂载荷，且要求整个加载卸载过程柔顺。调研现有的进口型或者国产型的材料试验机，均存在吨位较低、无法达到500KN当量的材料试验要求，控制精度低、无法实现全载荷域的柔顺加载，而且不具备材料断裂检测功能与断裂后安全处理功能。
为此，为满足新型材料的力学性能评估，在调研现有材料加载装置的基础上，通过计算仿真分析、结构强度优化设计、液压驱动系统计算与设计、控制系统与软件设计等方面的联合攻关，创新研制了一台多功能、大载荷、高精度加载装置。一般材料试验机只具备准线性加载功能、无材料断裂检测机制与安全处理措施，被加载材料断裂后可能会导致持续加载，一方面对材料二次加载损伤，另一方面对于含能材料二次加载还可能造成爆炸等安全事故。现有技术无法应用到该试验机的材料断裂检测与安全控制措施，需发明一种适用于材料可承载负荷测量试验中判断材料水平方向断裂的方法与材料断裂后的安全处理控制方法，实现可承载加载力测量试验过程可控、安全。
发明内容
本发明提供一种材料可承载负荷测量试验中判断材料水平方向断裂的方法与材料断裂后的安全处理控制方法，目的是解决准确测量材料最大承载负荷试验可控、安全、不对材料产生二次损伤的问题，实现材料可承载最大载荷准确测量的要求。
为了实施本发明，首先需要说明负荷传感器的安装要求，负荷传感器至少应包括：
1)测量传感器选用负荷传感器直接测量加载力；
2)测量传感器垂直安装在试验机支撑机构下端面上，要求下端面具有一定水平度；
3)测量传感器上安装水平托盘，使得材料受到的加载力完全加载到传感器上。
当然，在此基础上，还需要对加载试验提出具体的要求，加载试验至少应包括：
1)考虑到液压驱动机构的惯性特性以及测量传感器的响应时间，所设计的加载时间宜尽量长、加载过程宜尽量慢；
2)考虑到材料断裂强度测量精度的要求，测量过程中应尽量实现加载力线性增加。
在前述条件完备的基础上，本发明提供了一种液压加载试验机的材料水平断裂检测方法，包括：材料水平断裂检测方法与材料断裂检测算法。具体为：
1)材料水平断裂检测方法，具体为：
a)通过理论估算材料的断裂强度；
b)按照材料水平断裂时垂直加载力突变的特点，按照相对比率法，实时计算断裂载荷阈值；
c)当某一时刻，传感器测量得到的负荷突变值大于断裂载荷阈值时，即判断材料已经断裂。
2)材料断裂检测算法，具体为：
a)根据理论计算的断裂强度，设置启动断裂检测门槛值FsTh，以屏蔽由于起始段的实时载荷低、断裂检测阈值低而造成误检；
b)当实时载荷Fr低于允许断裂检测门槛值时FsTh，即：Fr<FsTh，不进行断裂检测；
c)当实时载荷Fr高于允许断裂检测门槛值FsTh时，即：Fr≥FsTh，启动断裂检测；
d)按照相对比率法以比率α实时计算断裂检测阈值FrTh，即：FrTh＝α×Fr；
e)按照定时中断法，计算该中断周期载荷的损失值，本次中断实时载荷Frn与上次中断实时载荷Frl的载荷差值ΔF，即：ΔF＝Frn-Frl；
f)计算后用本次中断实时载荷Frn更新上次中断实时载荷值Frl，即：Frl＝Frn；
g)当损失值ΔF高于实时断裂检测阈值FrTh，即：Fr≥FrTh，则判断为材料水平断裂。
本发明还提供一种液压加载试验机的材料水平断裂安全处理控制方法，包括：材料断裂安全处理措施与安全处理控制方法。具体为：
1)材料断裂安全处理措施，具体为：
a)考虑到液压型试验机材料断裂后出现承载力突然不平衡，系统会继续加载直到设定载荷力，会对材料造成二次损伤或安全事故，断裂处理措施可避免材料断裂后对材料的二次加载而造成材料损伤，使得试验过程可控、安全；
b)检测到材料断裂后，通过控制系统驱动液压系统动作，运行线性卸载算法，使得系统线性卸荷掉剩余的负载，可避免材料的应力释放过快而对材料造成二次伤害；
c)卸荷完后再回程，完全释放掉应力，使试验材料恢复到安全状态。
2)材料断裂安全处理控制方法，具体为：
a)控制软件设定卸荷时间Tx与卸荷目标载荷Fx；
b)按照实时载荷与溢流阀开度的非线性曲线：X＝g(F)，计算比例溢流阀初始开度X0；
c)按照设定的卸荷时间Tx与卸荷目标载荷Fx，实时计算溢流阀开度的减小值：ΔX，0.1秒中断下，ΔX的计算公式为：
d)计算得到溢流阀开度实时值：
e)当到达卸荷目标载荷Fx时，卸荷结束，启动回程过程；
f)当到达回程零点或者按下停止功能，回程停止。
通过本发明，提供了一种液压加载试验机在材料加载过程中的水平断裂检测方法与材料断裂后安全处理控制方法，解决了材料试验机试验中材料断裂后对材料进行二次加载造成损伤、以及材料二次加载过程造成爆炸事故、过程不可控等问题，满足实验室或者工业科研生产对材料负荷强度测量、特别是危险材料的负荷强度安全、可控、材料无损伤测量需求。本发明实现了含能材料负荷强度测量功能，满足了含能材料负荷强度测量过程中安全、可控、对材料无二次损伤要求。
附图说明
图1为本发明的材料断裂检测与处理控制方法流程图；
图2为负荷传感器的安装基本要求示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如附图2所示，负荷传感器至少应包括：
1)测量传感器选用负荷传感器直接测量加载力；
2)测量传感器垂直安装在试验机支撑机构下端面上，要求下端面具有一定水平度；
3)测量传感器上安装水平托盘，使得材料受到的加载力完全加载到传感器上。
在进行加载试验时，加载试验至少应包括：
1)考虑到液压驱动机构的惯性特性以及测量传感器的响应时间，所设计的加载时间宜尽量长、加载过程宜尽量慢；
2)考虑到材料断裂强度测量精度的要求，测量过程中应尽量实现加载力线性增加。
如附图1所示，本发明提供了一种液压加载试验机的材料水平断裂检测方法，包括：材料水平断裂检测方法与材料断裂检测算法。具体为：
1)材料水平断裂检测方法，具体为：
a)通过理论估算材料的断裂强度；
b)按照材料水平断裂时垂直加载力突变的特点，按照相对比率法，实时计算断裂载荷阈值；
c)当某一时刻，传感器测量得到的负荷突变值大于断裂载荷阈值时，即判断材料已经断裂。
2)材料断裂检测算法，具体为：
a)根据理论计算的断裂强度，设置启动断裂检测门槛值FsTh，以屏蔽由于起始段的实时载荷低、断裂检测阈值低而造成误检；
b)当实时载荷Fr低于允许断裂检测门槛值时FsTh，即：Fr<FsTh，不进行断裂检测；
c)当实时载荷Fr高于允许断裂检测门槛值FsTh时，即：Fr≥FsTh，启动断裂检测；
d)按照相对比率法以比率α实时计算断裂检测阈值FrTh，即：FrTh＝α×Fr；
e)按照定时中断法，计算该中断周期载荷的损失值，本次中断实时载荷Frn与上次中断实时载荷Frl的载荷差值ΔF，即：ΔF＝Frn-Frl；
f)计算后用本次中断实时载荷Frn更新上次中断实时载荷值Frl，即：Frl＝Frn；
g)当损失值ΔF高于实时断裂检测阈值FrTh，即：Fr≥FrTh，则判断为材料水平断裂。
本发明还提供一种液压加载试验机的材料水平断裂安全处理控制方法，包括：材料断裂安全处理措施与安全处理控制方法。具体为：
1)材料断裂安全处理措施，具体为：
a)考虑到液压型试验机材料断裂后出现承载力突然不平衡，系统会继续加载直到设定载荷力，会对材料造成二次损伤或安全事故，断裂处理措施可避免材料断裂后对材料的二次加载而造成材料损伤，使得试验过程可控、安全；
b)检测到材料断裂后，通过控制系统驱动液压系统动作，运行线性卸载算法，使得系统线性卸荷掉剩余的负载，可避免材料的应力释放过快而对材料造成二次伤害；
c)卸荷完后再回程，完全释放掉应力，使试验材料恢复到安全状态。
2)材料断裂安全处理控制方法，具体为：
a)控制软件设定卸荷时间Tx与卸荷目标载荷Fx；
b)按照实时载荷与溢流阀开度的非线性曲线：X＝g(F)，计算比例溢流阀初始开度X0；
c)按照设定的卸荷时间Tx与卸荷目标载荷Fx，实时计算溢流阀开度的减小值：ΔX，0.1秒中断下，ΔX的计算公式为：
d)计算得到溢流阀开度实时值：
e)当到达卸荷目标载荷Fx时，卸荷结束，启动回程过程；
f)当到达回程零点或者按下停止功能，回程停止。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (4)

1.液压加载试验机的材料水平断裂检测方法，其特征在于包括：材料水平断裂检测方法与材料断裂检测算法，具体为：
1)材料水平断裂检测方法，具体为：
a)通过理论估算材料的断裂强度；
b)按照材料水平断裂时垂直加载力突变的特点，按照相对比率法，实时计算断裂载荷阈值；
c)当某一时刻，传感器测量得到的负荷突变值大于断裂载荷阈值时，即判断材料已经断裂；
2)材料断裂检测算法，具体为：
a)根据理论计算的断裂强度，设置启动断裂检测门槛值FsTh，以屏蔽由于起始段的实时载荷低、断裂检测阈值低而造成误检；
b)当实时载荷Fr低于允许断裂检测门槛值时FsTh，即：Fr<FsTh，不进行断裂检测；
c)当实时载荷Fr高于允许断裂检测门槛值FsTh时，即：Fr≥FsTh，启动断裂检测；
d)按照相对比率法以比率α实时计算断裂检测阈值FrTh，即：FrTh＝α×Fr；
e)按照定时中断法，计算该中断周期载荷的损失值，本次中断实时载荷Frn与上次中断实时载荷Frl的载荷差值ΔF，即：ΔF＝Frn-Frl；
f)计算后用本次中断实时载荷Frn更新上次中断实时载荷值Frl，即：Frl＝Frn；
g)当损失值ΔF高于实时断裂检测阈值FrTh，即：Fr≥FrTh，则判断为材料水平断裂。
2.根据权利要求1所述液压加载试验机的材料水平断裂检测方法，其特征在于：
所述传感器为负荷传感器，负荷传感器的安装要求至少应包括：
1)测量传感器选用负荷传感器直接测量加载力；
2)测量传感器垂直安装在试验机支撑机构下端面上，要求下端面具有一定水平度；
3)测量传感器上安装水平托盘，使得材料受到的加载力完全加载到传感器上。
3.根据权利要求2所述液压加载试验机的材料水平断裂检测方法，其特征在于：
液压加载试验机在进行加载试验时，加载试验至少应包括：
1)考虑到液压驱动机构的惯性特性以及测量传感器的响应时间，所设计的加载时间宜尽量长、加载过程宜尽量慢；
2)考虑到材料断裂强度测量精度的要求，测量过程中应尽量实现加载力线性增加。
4.一种液压加载试验机的材料水平断裂安全处理控制方法，其特征在于包括：材料断裂安全处理措施与安全处理控制方法，具体为：
1)材料断裂安全处理措施，具体为：
a)考虑到液压型试验机材料断裂后出现承载力突然不平衡，系统会继续加载直到设定载荷力，会对材料造成二次损伤或安全事故，断裂处理措施可避免材料断裂后对材料的二次加载而造成材料损伤，使得试验过程可控、安全；
b)检测到材料断裂后，通过控制系统驱动液压系统动作，运行线性卸载算法，使得系统线性卸荷掉剩余的负载，可避免材料的应力释放过快而对材料造成二次伤害；
c)卸荷完后再回程，完全释放掉应力，使试验材料恢复到安全状态；
2)材料断裂安全处理控制方法，具体为：
a)控制软件设定卸荷时间Tx与卸荷目标载荷Fx；
b)按照实时载荷与溢流阀开度的非线性曲线：X＝g(F)，计算比例溢流阀初始开度X0；
c)按照设定的卸荷时间Tx与卸荷目标载荷Fx，实时计算溢流阀开度的减小值：ΔX，0.1秒中断下，ΔX的计算公式为：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>X</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>g</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>F</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <msub> <mi>F</mi> <mi>e</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>T</mi> <mi>e</mi> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mn>600</mn> </mrow> </mfrac> </mrow>
d)计算得到溢流阀开度实时值：
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e)当到达卸荷目标载荷Fx时，卸荷结束，启动回程过程；
f)当到达回程零点或者按下停止功能，回程停止。
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