CN111272563A - 一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置及其方法，该装置包括计算机、疲劳试验机、并联电阻组件及直流电源，所述直流电源及疲劳试验机均通过信号传输线连接所述计算机，所述并联电阻组件的电压能够实时传递至计算机；所述并联电阻组件由多个并联设置的电阻片组成，所述电阻片按间隔平行粘贴在所述试件的人工预制裂纹或预期萌生裂纹的扩展路径上，且所述电阻片垂直于人工预制裂纹或裂纹预期萌生扩展方向，所述电阻片距离人工预制裂纹尖端或裂纹预期萌生位置的长度等于期望预制疲劳裂纹的长度。与现有技术相比，该装置省时高效，自动预制指定长度的疲劳裂纹，对实验环境的要求并不严苛，且对于大多数疲劳试验的钢构件尺寸均适用。
Description
技术领域
本发明涉及钢结构疲劳性能测试技术领域，具体涉及一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置及其方法。
背景技术
在钢结构的疲劳补强试验研究中，往往是比较经补强前后试件的疲劳寿命来评定补强的效果。为了保证评估的客观性，在试验中必须要确保两个试件(未补强试件和补强试件)具有相同的初始损伤程度。因此，通常采用人工预制裂纹，或直接施加疲劳荷载，在裂纹预期萌生位置起裂的方法来引入初始损伤。
人工预制裂纹一般采用线切割加工，然而端部无法模拟真实的裂纹尖端，所以需要一定的疲劳循环次数才能使疲劳裂纹从人工预制裂纹尖端处萌发。由于人为加工的不确定性，ASTM E647-15中建议在人为预制裂纹的基础上，再对试件进行疲劳预载，使其裂纹尖端再向前扩展一定距离(大于1mm)后，再开始正式的试验研究，以减小人为预制裂纹的影响。
现阶段制作该疲劳裂纹的方法主要有两种：一是利用长焦距显微镜对疲劳裂纹进行间歇的观察，但此种方法费力繁琐，且难以准确控制预制裂纹的长度；二是采用直流电位法，通过裂纹扩展前后，试件两端的电势差来确定裂纹扩展的长度，虽易于实现，但该方法在测量时，随着温度的变化，试样和导线之间会产生一个电压，称之为“电偶效应”，电位法测量裂纹两端时输出的电压信号为毫伏级，电偶效应产生的电压会对电位法测量结果有很大的影响，该方法对环境温度和材料尺寸均十分敏感，受用范围有限。因此有必要提出一种省时高效，不依赖于环境温度，对于大多数尺寸均适用的预制疲劳裂纹的装置及方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种省时高效、不受环境温度影响、适用于大部分试件的预制疲劳裂纹的装置及其方法，可应用于钢构件疲劳试验研究中初始损伤的制作，保证所有试件具有相同的初始损伤程度，以提高试验的客观性和准确性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，该装置包括内置有控制软件的计算机、用于对试件进行疲劳加载的疲劳试验机、并联电阻组件及为所述并联电阻组件供应电流的直流电源，所述直流电源通过导线连接所述并联电阻组件，所述直流电源及疲劳试验机均通过信号传输线连接所述计算机，所述并联电阻组件的电压能够实时传递至计算机；所述并联电阻组件由多个并联设置的电阻片组成，所述电阻片按间隔平行粘贴在所述试件的人工预制裂纹或预期萌生裂纹的扩展路径上，且所述电阻片垂直于人工预制裂纹或裂纹预期萌生扩展方向，所述电阻片距离人工预制裂纹尖端或裂纹预期萌生位置的长度等于期望预制疲劳裂纹的长度。
在疲劳试验机对试件进行疲劳加载过程中，若并联电阻组件的电压增大，则表示预制疲劳裂纹已达到指定长度，计算机自动控制疲劳试验机停止加载。
进一步地，所述并联电阻组件的电阻片通过环氧树脂胶水粘贴在试件的指定位置。
进一步地，所述电阻片的尺寸均一致，宽度为0.5～0.8mm，长度为1.0～1.6mm。
进一步地，所述并联电阻组件由2-4个电阻片组成，其间距为1mm。
进一步地，所述直流电源为高稳定性直流电源，型号为德国EA生产的可编程高效直流电源PSI 9000 4U系列，输入电压范围是0～60V，最大功率为30kW。
进一步地，所述疲劳试验机为MTS液压伺服疲劳试验机，最大实验拉力为250kN。
进一步地，所述计算机为内置MTS软件的计算机，根据电脑中MTS软件设定的判断程序，可控制疲劳试验机停止加载。
进一步地，所述试件为钢构件。
一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的方法，采用所述的装置进行，具体方法为：
将试件安装在疲劳试验机上，并将多个电阻片按间隔平行粘贴在试件的人工预制裂纹或预期萌生裂纹的扩展路径上，使电阻片垂直于人工预制裂纹或裂纹预期萌生扩展方向，并控制电阻片距离人工预制裂纹尖端或裂纹预期萌生位置的长度等于期望预制疲劳裂纹的长度；电阻片按并联方式通过导线连接直流电源，疲劳预加载前，打开直流电源的开关，对电路进行恒定电流的输出，疲劳试验机进行疲劳加载，加载过程中，当电阻组件的输出电压大于初始电压时，计算机发送终止命令给疲劳试验机，停止加载，即得到指定长度的疲劳预制裂纹。
本发明装置的原理为，通过导线将所述并联电阻组件连入直流电源中，疲劳预加载前，打开直流电源的开关，对电路进行恒定电流的输出，得到整个电路的输出电压U0＝IR0，其中I为恒定电流大小，R0为并联电阻组件的初始总电阻。通过信号传输线将直流电源与电脑相连，同时将并联电阻组件的输出电压实时传送到所述电脑的MTS软件中。
当裂纹扩展到指定位置时，会贯穿第一个电阻片，造成其断路，进而改变并联电阻组件的总电阻(阻值增大)，造成输出电压的跃迁，若并联电阻组件的电压增大，则表示预制疲劳裂纹已达到指定长度，计算机自动控制疲劳试验机停止加载。
与现有技术相比，本发明省时高效，可以实现机器自动预制指定长度的疲劳裂纹；同时，相对于电位直流法(DCPD)，本实验中输出的电压的变化是由外部粘贴的电阻片断裂造成的，不易受到电偶效应的影响，对于环境温度变化并不敏感，且对于大多数疲劳试验的钢构件尺寸均适用。
附图说明
图1为本发明实施例应用时的装置示意图；
图2为实施例中钢构件表面并联电阻的位置详图；
图3为实施例中计算机控制疲劳试验机的流程图；
图中，1-钢板、2-电阻片、3-直流电源、4-计算机、5-疲劳试验机、6-导线、7-信号传输线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例
一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，其连接示意图如图1-2所示，包括多个电阻片2，高稳定性直流电源3，计算机4，疲劳试验机5，导线6以及信号传输线7。疲劳加载前，将电阻片2粘贴在钢板1的人工预制裂纹两旁，通过导线6将两个电阻片2分别与两个高稳定性直流电源3相连。打开高稳定性直流电源6的开关，输入稳定电流I，得到并联电阻组件的电压U0＝IR0(其中R0为并联电阻组件的电阻)，再利用信号传输线7将实时电压传送至计算机4上。
当裂纹扩展到指定位置时，会贯穿第一个电阻片2，造成其断路，进而改变并联电阻组件的总电阻，造成输出电压的跃迁，据此计算出并联电阻组件的新电阻，代入公式Uf＝IRf中，计算出相应的临界电压Uf，其中I为恒定电流大小，Rf为并联电阻组件的新电阻。将裂纹扩展到指定位置时对应的电阻Rf代入公式Uf＝IRf中，计算出相应的临界电压Uf，将其输入计算机4的MTS软件中。之后将钢板1固定在疲劳试验机5上进行疲劳加载。加载过程中，当输出电压大于等于临界电压Uf时，计算机4中的MTS软件会根据设定的判断程序(如图3)，发送终止命令给疲劳试验机5，得到指定长度的疲劳预制裂纹。
并联电阻组件如图2所示，由三个电阻片2组成，其间距为1mm，每个电阻片2均垂直于人工预制裂纹的扩展方向。第一个电阻片2距离人工预制裂纹尖端的长度等于期望预制疲劳预制裂纹的长度。本实例中采用的电阻片宽度为0.5mm，长度为1.0mm。
本实例中采用的高稳定性直流电源是德国EA公司生产的可编程高效直流电源PSI9000 4U系列，其输入电流范围是0～40A，输入电压范围是0～60V，最大功率为30kW。
本实例中所采用的疲劳试验机为MTS液压伺服疲劳试验机，最大实验拉力为250kN。
计算机4中的MTS软件会根据图3的流程设定对输入的电压进行判断。当两个并联电阻组件的输出电压(U1，U2分别为裂纹两侧电阻片的电压)均大于临界电压Uf时，疲劳加载停止；否则继续对钢板进行疲劳加载，直至预制疲劳裂纹达到指定长度，计算机自动控制疲劳试验机停止加载。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
Claims (9)
1.一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，其特征在于，该装置包括内置有控制软件的计算机、用于对试件进行疲劳加载的疲劳试验机、并联电阻组件及为所述并联电阻组件供应电流的直流电源，所述直流电源通过导线连接所述并联电阻组件，所述直流电源及疲劳试验机均通过信号传输线连接所述计算机，所述并联电阻组件的电压能够实时传递至计算机；
所述并联电阻组件由多个并联设置的电阻片组成，所述电阻片按间隔平行粘贴在所述试件的人工预制裂纹或预期萌生裂纹的扩展路径上，且所述电阻片垂直于人工预制裂纹或裂纹预期萌生扩展方向，所述电阻片距离人工预制裂纹尖端或裂纹预期萌生位置的长度等于期望预制疲劳裂纹的长度。
2.根据权利要求1所述的一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，其特征在于，所述并联电阻组件的电阻片通过环氧树脂胶水粘贴在试件的指定位置。
3.根据权利要求1所述的一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，其特征在于，所述电阻片的尺寸均一致，宽度为0.5～0.8mm，长度为1.0～1.6mm。
4.根据权利要求3所述的一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，其特征在于，所述并联电阻组件由2-4个电阻片组成，其间距为1mm。
5.根据权利要求1所述的一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，其特征在于，所述直流电源为高稳定性直流电源，型号为德国EA生产的可编程高效直流电源PSI 9000 4U系列。
6.根据权利要求1所述的一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，其特征在于，所述疲劳试验机为MTS液压伺服疲劳试验机。
7.根据权利要求1所述的一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，其特征在于，所述计算机为内置MTS软件的计算机。
8.根据权利要求1所述的一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的装置，其特征在于，所述试件为钢构件。
9.一种利用并联电阻预制疲劳裂纹的方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的装置进行，具体方法为：
将试件安装在疲劳试验机上，并将多个电阻片按间隔平行粘贴在试件的人工预制裂纹或预期萌生裂纹的扩展路径上，使电阻片垂直于人工预制裂纹或裂纹预期萌生扩展方向，并控制电阻片距离人工预制裂纹尖端或裂纹预期萌生位置的长度等于期望预制疲劳裂纹的长度；
电阻片按并联方式通过导线连接直流电源，疲劳预加载前，打开直流电源的开关，对电路进行恒定电流的输出，疲劳试验机进行疲劳加载，加载过程中，当电阻组件的输出电压大于初始电压时，计算机发送终止命令给疲劳试验机，停止加载，即得到指定长度的疲劳裂纹。
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