CN110426296A - 一种动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置，包括机架，带焊缝的试件一端固定在机架上，另一端悬臂；所述试件悬臂端分别设有沿焊缝轴向施加荷载的动力系统、应力调控系统；在试件的外侧设有安装动力系统及应力调控系统的安装架，另一端分别与试件的悬臂端连接；试件上安装有光纤检测系统，试件的焊缝外侧设有可视化监测系统，应力施加系统、应力调控系统、光纤检测系统、可视化监测系统分别连接至PLC集成系统。本发明还提供了利用上述装置的方法。本发明的装置能够使焊缝受到纯剪应力作用，且PLC集成系统能够动态观测焊缝剪应力变化动态过程，更加直观方便。本发明的方法操作简便、精细化，满足焊缝剪应力疲劳试验的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种剪应力疲劳试验装置及方法，具体涉及一种动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置及方法。
背景技术
钢桥面板构造复杂，多采用焊缝连接各个构造，然而由于焊缝存在焊接缺陷与较大的焊接残余应力，在反复的荷载作用下，易产生疲劳损伤，出现疲劳裂纹。钢桥面板常见的裂纹的焊缝位置有顶板与U肋焊缝、横隔板与U肋焊缝及U肋对接焊缝等部位。易出现疲劳裂纹的部位受力特征各不相同，如U肋对接焊缝主要承受拉应力、出现裂纹后的顶板与U肋焊缝裂纹存在剪应力作用、横隔板与U肋焊缝受到剪应力作用更为明显。
目前针对以上构造细节的强度或寿命研究通常采用S-N曲线进行研究，然而正应力与剪应力的疲劳强度曲线是分别定义的。由于受到试验条件与理论分析难度的限制，室内试验通常仅采用正应力对疲劳细节进行分析，导致试验结果无法真实的反应实桥焊缝的剪应力效应。部分试验通过设置斜焊缝，并改变焊缝角度，从而在焊缝部位施加正应力与剪应力的耦合作用。然而，由于正应力与剪应力曲线是完全分离的，采用该耦合作用的试验结果无法直接进行分析。因此，需要一种能够施加纯剪应力的试验装置及试验方法。
目前针对钢桥面板疲劳性能的疲劳试验，由于开裂特征难以观察，可能出现无法及时发现疲劳开裂的现象，无法准确记录开裂过程，因此需要一种具备全程动态可视化功能的试验装置及试验方法。
发明内容
发明目的：本发明的其中一个目的是提供一种动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置，该装置能够施加沿焊缝轴向上的纯剪应力，并能够对焊缝开裂进行全程动态可视化监测；
本发明的另一个目的是提供一种动态可视化焊缝剪应力疲劳试验方法。
技术方案：本发明的动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置，包括机架，带焊缝的试件一端固定在机架上，另一端悬臂；所述试件的悬臂端分别设置有沿焊缝轴向施加载荷的动力系统、应力调控系统，所述应力调控系统根据动力系统施加载荷而施加用于抵消焊缝轴向所受弯矩的力；在所述试件的悬臂端上方设有安装架，所述动力系统及应力调控系统的一端分别与安装架连接，另一端分别与试件的悬臂端连接；所述试件连接有用于检测焊缝应力的光纤检测系统，所述机架的一侧设有用于监测试件焊缝应力变化的可视化监测系统，所述动力系统、应力调控系统、光纤检测系统、可视化监测系统分别与PLC集成系统连接。
优选地，所述动力系统包括设置于试件悬臂端位于悬臂端两侧的固定件，固定件上固定有沿焊缝轴向振动的振动电机，所述振动电机通过固定件将振动传递于试件上；所述安装架上设有可沿安装架移动的第一滑块，所述振动电机的另一端与第一滑块连接，并随第一滑块移动。
优选地，所述悬臂端两侧的固定件上设有用于调整并固定两侧固定件相对位置的调节器。
优选地，所述应力调控系统包括与试件的悬臂端连接的弹簧，所述弹簧的另一端与第二滑块连接，所述第二滑块设置于安装架上并可带动弹簧沿安装架移动。
更进一步地，所述弹簧与试件的连接处安装有监测弹簧受力的弹力监测仪。
优选地，所述可视化监测系统包括用于拍摄试件焊缝开裂过程的摄像机，所述摄像机安装于机架上；所述机架与PLC集成系统连接，根据PLC集成系统信号进行高度调节。
优选地，所述PLC集成系统包括设备管理模块、PLC系统、可视化管理模块；所述设备管理模块包括分别与光纤检测系统连接的循环荷载测试系统及光纤应变测试系统、与机架连接的机架调整系统；所述PLC系统与动力系统连接的PLC1、与光纤应变测试系统及机架调整系统连接的PLC2；所述可视化管理模块包括与摄像机连接用于记录焊缝产生裂纹过程的监控视频、分别与动力系统连接用于记录参数的应力时程、荷载循环次数记录、裂纹扩展记录与预测。
本发明还提供一种上述装置的试验方法，包括以下步骤：
(S1)试验前，组装试验装置，根据试验要求的剪应力值V、动力系统及应力调控系统分别距离焊缝的垂直位移L1、L2，由式(1)计算动力系统所需施加的载荷F，然后根据式(2)确定应力调控系统(3)需施加的反作用力T；
F×L1＝T×L2 式(2)
(S2)启动动力系统施加载荷F，测量悬臂端产生的自由竖向位移S；由T与S的关系确定应力调控系统的试验参数，使应力调控系统根据悬臂端产生的自由竖向位移施加相应的反作用力以消除弯矩；同时，开启光纤检测系统检测焊缝所受应力，反馈至PLC集成系统，PLC集成系统根据检测结果调整动力系统的加载频率与位置，使焊缝受到纯剪应力；
(S3)开始试验，动力系统施加轴向载荷，应力调控系统施加相应的反作用力；光纤检测系统检测剪应力值，可视化监测系统实时监测焊缝裂纹扩展过程，PLC集成系统对动力系统、应力调控系统、光纤检测系统及可视化监测系统传递的信息进行处理与保存。
(S4)关闭试验装置，试验结束。
优选地，所述焊缝受到纯剪应力的调整过程为：光纤检测试系统检测焊缝两侧光纤应力一致时，为纯剪应力；当两侧焊缝应力不一致时，调节动力系统的加载位置，使动力系统在悬臂端两侧对称加载。
优选地，所述焊缝受到纯剪应力的调整过程为：当PLC集成系统显示焊缝围焊端部应力的峰值与谷值绝对值不一致时，调节动力系统的加载频率，使焊缝围焊端部应力的峰值与谷值绝对值一致。
工作原理：动力系统加载呈正弦波振动的载荷，根据试验要求的剪应力值V，由式(1)计算应施加的最大激振力F，作用位置距离焊缝为L1，当动力系统的作用力向下时，试件焊缝同时受到剪力及弯矩的作用，同时悬臂端产生的向下的自由竖向位移，记悬臂端的最大自由竖向位移S。此时，应力调控系统由于连接在焊缝悬臂端，也受到向下的拉力作用，为了消除焊缝所受的弯矩，应力调控系统根据动力系统施加的载荷提供一个与位移成正比的向上的拉力，作用位置距离焊缝为L2，并根据式(2)计算所需的拉力T。然后由T与S确定应力调控系统的试验参数，根据试验前的调试，将应力调控系统的参数设置为能够根据悬臂端的竖向位移提供的反作用力恰好抵消动力系统所产生的弯矩，同时根据检测到的焊缝应力值，PLC集成系统根据应力结果调整动力系统的加载位置、加载频率，使焊缝受到纯剪应力作用，从而获得纯剪应力曲线。
有益效果：本发明与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本发明的装置通过动力系统和应力调控系统的配合，使焊缝受到的弯矩得到消除，从而使焊缝仅受到纯剪应力作用，且通过可视化监测系统观察焊缝裂纹扩展过程，更加直观生动。2、本发明的试验方法操作简便、精细化，使测试结果更加准确可靠，满足焊缝剪应力疲劳试验的要求。
附图说明
图1是本发明的试验装置示意图；
图2是本发明的机架系统示意图；
图3是本发明的动力系统与剪应力调控系统的示意图；
图4是本发明的动力系统部分结构示意图；
图5是本发明的PLC集成系统的示意图；
图6是本发明的作用原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见图1至图6，其中，1-机架系统，11-底板，12-机架，13-安装架，131-紧固件，132-滑槽，133-刻度线，141-固定螺栓孔，142-角钢螺栓孔，143-弹簧螺栓孔，2-动力系统，21-角钢，211-圆环，22-角钢距离调整装置，221-螺纹钢管，222-转筒，23-振动电机，24-吊环，25-第一滑块，26-钢绞线，27-套管，28-第一滑块固定器，3-应力调控系统，31-弹簧，32-弹力监测仪，33-第二滑块，34-第二滑块固定器，4-光纤检测试系统，5-可视化监测系统，51-摄像机，52-伸缩架，6-PLC集成系统，61-设备管理模块，62-PLC系统，63-可视化管理模块，611-弹力测试系统，612-循环荷载测试系统，613-光纤应变测试系统FOST，614-机架调整系统FA，621-PLC1，622-PLC2，631-监控视频，632-应力时程，633-荷载循环次数记录，634-裂纹扩展记录与预测。
本实施例的动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置包括机架系统1，机架系统1包括底板11、机架12、安装架13。底板11固定在实验室地面，机架12通过高强螺栓固定在底板11的一侧，本实施例带焊缝的试件14为两块钢板垂直焊接而成，形成圆柱状的焊缝；其中一块钢板通过高强螺栓插入固定螺栓孔141将试件14固定在机架12侧边上，使焊缝在机架12的侧边上竖直放置，另一块钢板悬臂；在试件14的悬臂端上开设有角钢螺栓孔142与弹簧螺栓孔143。底板11的另一侧设置有安装架13，本实施例的安装架13为横向板和竖向板垂直固定连接而成，其中竖向板插入矩形槽内，通过紧固件131活动连接，当需要调整安装架13的高度时，松动紧固件131，将竖向板从矩形槽内向上移动至所需高度，并用紧固件131紧固。安装架13的横向板下方设有滑槽132，用于动力系统2及应力调控系统3位置的调整，横向板上方设有刻度线133用于测量振动电机23、压力弹簧31分别与焊缝之间的距离。
参见图3与图4所示，本实施例的动力系统2包括一对角钢21，分别通过角钢螺栓固定于角钢螺栓孔142上。所述角钢21的四角各设一个圆环211用于插入螺纹钢管221，焊缝悬臂端厚度方向两侧的一对螺纹钢管的螺纹方向相反。角钢距离调整装置22将一对角钢21连成角钢整体21，并可调节角钢之间的距离以适应不同厚度的试件，并保证角钢21处于同一平面。所述角钢距离调整装置22通过可开闭合的一对转筒222，旋转转筒222可调整螺纹钢管之间的距离，从而带动角钢21的相对位移，以适应不同的钢板厚度，确保一对角钢21紧贴试件14表面。
本实施例的振动电机23通过高强螺栓固定在角钢21顶面，振动电机23的振动作用方向与焊缝轴向一致。所述振动电机23上连接有循环荷载检测系统231。第一滑块25设置于安装架13的横向板下方的滑槽132内并可在滑槽132内滑动，第一滑块25连接有钢绞线26，钢绞线26外侧套设有空心管。振动电机23上设有吊环24，吊环24的另一端与钢绞线26连接，避免试件14断裂后动力系统2随断裂段跌落。第一滑块25两侧设置有第一滑块固定器28，避免振动电机23滑动，出现横向位置改变。动力系统2施加的实时循环荷载大小传输至PLC集成系统6。
本实施例的应力调控系统3包括与试件14的悬臂端连接的弹簧31，弹簧31的另一端与第二滑块33连接，第二滑块33设置于安装架13横向板的滑槽132内并可带动弹簧31沿安装架13横向移动。弹簧31通过提供不同的有效圈数从而提供不同的劲度系数。弹簧31与试件14的连接处安装有监测弹簧受力的弹力监测仪32。弹力监测仪32可实时测试弹簧的受力，以便调整动力系统2。第二滑块固定器34设在弹簧位置调整滑块33两侧，避免剪应力调控系统3滑动，出现横向位置改变。由于动力系统输出的呈现均匀正弦波变化的应力使得悬臂端产生竖直位移，固定在悬臂端的应力调控系统输出的反作用力随着竖直位移的变化而变化，从而施加一个反向的竖向力，抵消动力系统作用在焊缝上的弯矩。因此，应力调控系统3还可以是其他具体装置，只要该装置能够根据动力系统施加的轴向载荷所引起的悬臂端的竖向位移而改变作用力大小，当该装置输出力的变化频率不低于动力系统的振动频率时，抵消的效果更高。
本实施例的光纤检测试系统4为焊缝全包围式的光纤检测系统，根据名义应力要求，将光纤41全包围贴在焊缝外侧，进行焊缝全范围的检测。
参见图5，本实施例的可视化监测系统5包括放置于伸缩架52上的高倍摄像机51，本实施例的伸缩架52为可伸缩式摄像机机架，所述高倍摄像机51可拍摄焊缝的开裂过程，所述可伸缩式摄像机机架52通过PLC集成系统6，根据剪应力测试系统显示结果进行自动调整。本实施例的PLC集成系统6包括设备管理模块61、PLC集成系统62、可视化管理模块63。设备管理模块61包括与应力调控系统3连接的弹力测试系统611、与光纤检测系统4连接的循环荷载测试系统612、与光纤检测系统4连接的光纤应变测试系统613、与机架52连接的机架调整系统614；所述PLC集成系统62包括控制动力系统2的振动频率的PLC1 621、控制光纤应变测试系统FOST 613及机架调整系统FA 614的PLC2 622；所述可视化管理模块63包括与摄像机51连接用于记录焊缝产生裂纹过程的监控视频631、分别与动力系统2连接用于记录参数的应力时程632、荷载循环次数记录633、裂纹扩展记录与预测634。
参见图6，本发明提供了一种动态可视化焊缝剪应力疲劳试验的方法，包括如下步骤：
(S1)按要求完成机架系统1、动力系统2、剪应力调控系统3、光纤检测系统4、可视化监测系统5的安装；
根据试验要求的剪应力值V，由试件14的角钢螺栓孔142与弹簧螺栓孔143的位置，确定试件14的角钢螺栓孔142与弹簧螺栓孔143的位置及振动电机23的作用位置L1，弹力的作用位置L2，并根据式(1)计算振动电机23需施加的激振力F，然后由式(2)计算弹簧31需施加的反作用力T。
根据试件14悬臂端的高度调整安装架13的高度，将试件14通过高强螺栓固定在机架12上，将一对角钢21置于试件14悬臂端的上方，调整角钢距离调整装置22，使得一对角钢21紧贴试件14的悬臂端两侧。调整第一滑块25与第一滑块固定器28的位置，将振动电机23放置在一对角钢21上。打开空心管27释放钢绞线26，保证试验过程中振动电机23自由振动，且确保不会跌落。将振动电机23通过高强螺栓固定在角钢21的正上方。
启动振动电机23，确定试件14的悬臂端的最大竖向位移S，根据式(3)计算弹簧的有效圈数n，选取有效圈数为n的弹簧进行试验。关闭振动电机23，调整第二滑块33与第二滑块固定器(34)，将弹力作用位置调至L2，将压力弹簧32与试件进行连接。
启动振动电机23，观察可视化管理模块63的应力时程SH 632，考虑到安装过程中的误差，通过PLC集成系统6中的循环荷载测试系统CLT 612对荷载进行微调至焊缝受到纯剪应力：
在微调过程中，光纤检测试系统4检测试件14的焊缝所受的应力，当光纤应变测试系统FOST 613中显示焊缝的两侧整根光纤应力一致时，说明焊缝所受的为剪应力；当光纤应变测试系统FOST 613中显示两侧的焊缝应力不一致时，表示振动电机23为非对称加载，此时，调整振动电机23的位置，使其在焊缝正上方对称加载，从而使焊缝所受的力为剪应力。或者，当光纤应变测试系统FOST 613中显示焊缝围焊端部应力的峰值与谷值绝对值不一致时，可通过循环荷载测试系统CLT 612微调振动电机23的加载频率，直至光纤应变测试系统FOST 613中显示焊缝围焊端部应力的峰值与谷值绝对值一致，且焊缝两侧整根光纤应力一致，从而确保了焊缝受到纯剪应力作用。
试验过程：
开始试验，启动振动电机23，试验中随着荷载次数记录的增加应力时程变化不大，当焊缝即将出现开裂时,光线检测系统4在开裂位置应力突增，光纤应变测试系统FOST 613监测到开裂位置，经过PLC集成系统6的计算，高倍摄像机机架调整系统FA 614改变可伸缩式摄像机机架52的高度，将高倍摄像机51调至开裂位置，对开裂处进行实时监控，并可在可视化管理模块6中的监控视频MV 632中记录，高倍摄像机机架调整系统FA 614随着试验过程进行实时调整。试验过程中，实时记录应力时程SH 632与荷载循环次数记录CY 633，并通过算法进行裂纹扩展记录与预测CP 6 34。
试验结束：
关闭振动电机23，存储可视化管理模块6设备数据，取下压力弹簧31，打开固定振动电机23与角钢21上的高强螺栓，将钢绞线26收回至空心管27，闭合上下空心管，拆除试件14，调整安装架13高度，将振动电机23接触地面，试验结束。
Claims (9)
1.一种动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置，其特征在于，包括机架(12)，带焊缝的试件(14)一端固定在机架(12)上，另一端悬臂；所述试件(14)的悬臂端分别设置有沿焊缝轴向施加载荷的动力系统(2)、应力调控系统(3)，所述应力调控系统(3)根据动力系统(2)施加载荷而施加用于抵消焊缝轴向所受弯矩的力；在所述试件(14)的悬臂端上方设有安装架(13)，所述动力系统(2)及应力调控系统(3)的一端分别与安装架(13)连接，另一端分别与试件(14)的悬臂端连接；所述试件(14)连接有用于检测焊缝应力的光纤检测系统(4)，所述机架(12)的一侧设有用于监测焊缝应力变化的可视化监测系统(5)，所述动力系统(2)、应力调控系统(3)、光纤检测系统(4)、可视化监测系统(5)分别与PLC集成系统(6)连接。
2.根据权利要求1所述的动态可视化焊缝剪应力疲劳连接试验装置，其特征在于，所述动力系统(2)包括设置于试件(14)悬臂端两侧的固定件(21)，固定件(21)上固定有沿焊缝轴向振动的振动电机(23)，所述振动电机(23)通过固定件(21)将振动传递于试件(14)上；所述安装架(13)上设置有沿安装架(13)移动的第一滑块(25)，所述振动电机(23)的另一端与第一滑块(25)连接，并随第一滑块(25)移动。
3.根据权利要求2所述的动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置，其特征在于，所述试件(14)悬臂端两侧的固定件(21)上设有用于调整并固定两侧固定件(21)相对位置的调节器。
4.根据权利要求1所述的动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置，其特征在于，所述应力调控系统(3)包括与试件(14)的悬臂端连接的弹簧(31)，所述弹簧(31)的另一端与第二滑块(33)连接，所述第二滑块(33)设置于安装架(13)上并可带动弹簧(31)沿安装架(13)移动。
5.根据权利要求1所述的动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置，其特征在于，所述可视化监测系统(5)包括用于拍摄试件(14)焊缝开裂过程的摄像机(51)，所述摄像机(51)安装于机架(52)上；所述机架(52)与PLC集成系统(6)连接，根据PLC集成系统(6)信号进行高度调节。
6.根据权利要求5所述的动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置，其特征在于，所述PLC集成系统(6)包括设备管理模块(61)、PLC系统(62)、可视化管理模块(63)；所述设备管理模块(61)包括分别与光纤检测系统(4)连接的循环荷载测试系统(612)及光纤应变测试系统(613)、与机架(52)连接的机架调整系统(614)；所述PLC系统(62)包括与动力系统(2)连接的PLC1(621)、与光纤应变测试系统(613)及机架调整系统(614)连接的PLC2(622)；所述可视化管理模块(63)包括与摄像机(51)连接用于记录焊缝产生裂纹过程的监控视频(631)、分别与动力系统(2)连接用于记录参数的应力时程(632)、荷载循环次数记录(633)、裂纹扩展记录与预测(634)。
7.一种权利要求1所述动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(S1)试验前，组装试验装置，根据试验要求的剪应力值V、动力系统(2)及应力调控系统(3)分别距离焊缝的垂直位移L1、L2，由式(1)计算动力系统(2)所需施加的载荷F，然后根据式(2)确定应力调控系统(3)需施加的反作用力T；
F×L1＝T×L2 式(2)
(S2)启动动力系统(2)施加载荷F，测量悬臂端产生的自由竖向位移S；由T与S的关系确定应力调控系统(3)的试验参数，使应力调控系统(3)根据悬臂端产生的自由竖向位移施加相应的反作用力以消除弯矩；同时，开启光纤检测系统(4)检测焊缝所受应力，反馈至PLC集成系统(6)，PLC集成系统(6)根据检测结果调整动力系统(2)的加载频率与位置，使焊缝受到纯剪应力；
(S3)开始试验，动力系统(2)施加轴向载荷，应力调控系统(3)施加相应的反作用力；光纤检测系统(4)检测剪应力值，可视化监测系统(5)实时监测焊缝裂纹扩展过程，PLC集成系统(6)对动力系统(2)、应力调控系统(3)、光纤检测系统(4)及可视化监测系统(5)传递的信息进行处理与保存。
(S4)关闭试验装置，试验结束。
8.根据权利要求7所述的动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，所述焊缝受到纯剪应力的调整过程为：光纤检测试系统(4)检测焊缝两侧光纤应力一致时，为纯剪应力；当两侧焊缝应力不一致时，调节动力系统(2)的加载位置，使动力系统(2)在悬臂端两侧对称加载。
9.根据权利要求7所述的动态可视化焊缝剪应力疲劳试验装置的方法，其特征在于，所述焊缝受到纯剪应力的调整过程为：当PLC集成系统(6)显示焊缝围焊端部应力的峰值与谷值绝对值不一致时，调节动力系统(2)的加载频率，使焊缝围焊端部应力的峰值与谷值绝对值一致。
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