CN112762851B - 基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置 - Google Patents

基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置 Download PDF

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Abstract

基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，涉及工程结构健康监测领域。本发明是为了解决现有缺少模拟工程材料裂缝的装置，不能检测裂缝的受力的问题。上测试板和下测试板沿竖直方向搭接，且搭接处用于模拟裂缝，固定支座固定在下测试板的一侧面，R向滑台设置在固定支座上，Y向滑台设置在R向滑台上，Z向滑台设置在Y向滑台上，Z向滑台与上测试板一侧面固定连接；光纤传感器，用于感应上测试板和下测试板产生缝隙引起的应变或波长的变化；光纤传感设备用于光纤传感器应变或波长的接收与显示，还用于建立Z向滑台、Y向滑台和R向滑台中至少一个滑台产生的位移和该位移对应的应变或波长变化关系。它用于裂缝模拟和标定。

Description

基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置
技术领域
本发明涉及裂缝模拟装置。属于工程结构健康监测领域。
背景技术
工程材料在生产、加工和使用过程中会产生缺陷和裂缝。在断裂力学中根据裂缝受力情况可以分为三种基本裂缝形式。其中张开型裂缝(Ⅰ型)受垂直于裂缝面的拉应力作用，裂缝上下两表面相对张开；滑开型裂缝(Ⅱ型)受平行于裂缝面，并且垂直于裂缝前缘的剪应力，裂缝在平面内相对滑开；撕开型裂缝又称出平面剪切型或反平面剪切型裂缝(Ⅲ型)，受既平行于裂缝面又平行于裂缝前缘的剪应力作用，裂缝上下两表面沿Z轴相对错开。
如果裂缝同时受正应力和剪应力的作用，或裂缝与正应力成一角度，这时就同时存在Ⅰ型和Ⅱ型，或Ⅰ型和Ⅲ型，称为复合型裂缝。实际裂缝中常常是两种或两种以上基本型的组合。一般受力情况是复合型裂缝，可以同时存在三种位移分量，也可以是任何两个位移分量的组合，我们可以分别求出三个或两个位移分量，然后应用叠加原理得到复合型裂缝的位移。在实际研究过程中难以直接明晰复合型裂缝的成因及扩展机理，我们可以从基本型裂缝出发，逆向还原研究复合型裂缝，因此如何采用合适的手段获取并着重分析上述三种基本型裂缝的受力特性是十分重要的。
光纤传感器凭借其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、便于复用成网、测量范围广等优点，在土木工程、航空航天、石油化工等领域的结构健康监测中获得了广泛应用。当外界环境中的应变场及温度场发生变化时，将引发光纤传感器内部相应光学参量的变化，从而实现应变及温度的测量。据此采用光纤传感技术可以准确得到含裂缝结构的力学响应，据此研究承载结构从裂缝萌生到扩展过程中的受力特性，进而建立工程结构开裂判据并对裂缝扩展过程展开分析。结合断裂力学原理和光纤传感技术，设计一种适用于工程结构裂缝模拟及标定的装置可为工程结构裂缝处力学响应的研究提供支撑。
发明内容
本发明是为了解决现有缺少模拟工程材料裂缝的装置，不能检测裂缝的受力的问题。现提供基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置。
基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，所述装置包括上测试板1、下测试板 2、固定支座3、Z向滑台4、Y向滑台5、R向滑台6、光纤传感器10和光纤传感设备11；
上测试板1和下测试板2沿竖直方向搭接，上测试板1和下测试板2的搭接处用于模拟裂缝，固定支座3固定在下测试板2的一侧面，R向滑台6设置在固定支座3上，Y向滑台5设置在R向滑台6上，Z向滑台4设置在Y向滑台5上，Z向滑台4与上测试板1 一侧面固定连接；
光纤传感器10横跨上测试板1和下测试板2，并粘贴于上测试板1和下测试板2另一侧面上，光纤传感器10，用于感应上测试板1和下测试板2产生缝隙引起的应变或波长的变化；
光纤传感设备11与光纤传感器10连接，用于光纤传感器10应变或波长的接收与显示，还用于根据Z向滑台4、Y向滑台5和R向滑台6中至少一个滑台产生的位移和该位移对应的应变或波长变化，建立位移与光纤传感器10应变或波长变化的关系。
优选地，所述装置还包括两个传感器夹持板7；
两个传感器夹持板7将光纤传感器10固定在上测试板1和下测试板2上。
优选地，所述装置还包括蝶形螺丝8，
通过蝶形螺丝8固定两个传感器夹持板7。
优选地，Z向滑台4包括Z向移动台4a、Z向固定底座4b、Z向锁紧螺丝4c、Z向微分头4d和Z向边角固定孔4e，
Z向移动台4a通过限位螺丝9与上测试板1相连，Z向固定底座4b的四角开设有Z 向边角固定孔4e，Z向边角固定孔4e通过螺丝固定在Y向滑台5上，
Z向固定底座4b设置在Y向滑台5上，
Z向锁紧螺丝4c，用于解锁Z向微分头4d，并锁住Z向微分头4d的移动位置；
调节Z向微分头4d，使Z向移动台4a带动上测试板1沿垂直于地面方向进行上下移动，从而模拟张开型基本裂缝。
优选地，Y向滑台5包括Y向锁紧螺丝5a、Y向移动台5b、Y向固定底座5c、Y向微分头5d和Y向边角固定孔5e，
Y向固定底座5c设置在R向滑台6上，Y向移动台5b的四角开有Y向边角固定孔5e， Y向边角固定孔5e与Z向固定底座4b通过螺钉固定，
Y向锁紧螺丝5a，用于解锁Y向微分头5d，并锁住Y向移动台5b的移动位置；
调节Y向微分头5d，使Y向移动台5b相对Y向固定底座5c沿着Y向微分头5d的方向移动，通过Z向滑台4带动上测试板1沿垂直于下测试板2方向进行前后移动，从而模拟滑开型基本裂缝。
优选地，R向滑台6包括R向锁紧螺丝6a、粗精调切换螺丝6b、R向微分头6c、R向固定底座6d、R向移动台6e和R向边角固定孔6f，
固定支座3的中心固定连接导柱3a，导柱3a插入R向固定底座6d的中心孔，R向移动台6e的四角开设R向边角固定孔6f，R向边角固定孔6f与Y向固定底座5c通过螺钉固定，
粗精调切换螺丝6b，用于调整R向移动台6e的转动精度；
R向锁紧螺丝6a用于解锁R向微分头6c，并锁住R向微分头6c的移动位置；
调节R向微分头6c，R向移动台6e转动，通过Z向滑台4和Y向滑台5带动上测试板1沿R向滑台6中心转动，从而模拟撕开型基本裂缝。
优选地，光纤传感器10为点式光纤光栅传感器或分布式光纤传感器，
光纤光栅传感器，用于感应上测试板1和下测试板2产生缝隙引起的波长的变化；
分布式光纤传感器，用于感应上测试板1和下测试板2产生缝隙引起的应变变化。
本发明的有益效果为：
本申请是基于断裂力学的裂缝模拟：通过Z向滑台、Y向滑台、R向滑台的独立或组合使用对不同裂缝形式进行模拟，调节滑台的位移以控制相应裂缝形式的开度模拟，将光纤传感器以不同角度布设实现裂缝不同走向的模拟。基于光纤传感的裂缝标定：光纤传感器通过粘贴及夹持的方式固定于上测试板及下测试板，可根据裂缝标定需求设计光纤传感器的布设形式，通过定量控制滑台位移，观察光纤传感器监测数据规律，进而建立滑台位移即模拟裂缝开裂程度与光纤传感器光学信息、裂缝处力学响应的数学模型关系，实现测裂缝光纤传感器的标定，为后续含裂缝结构的健康监测提供硬件支撑。
R向滑台通过调节R向微分头可以带动上测试板沿滑台中心转动，从而模拟撕开型基本裂缝中平行于裂缝面的剪应力作用，配合Z向滑台可模拟撕开型基本裂缝；调节Y向微分头可以带动上测试板沿垂直于下测试板方向进行前后移动，从而模拟滑开型基本裂缝；调节Z向微分头可以带动上测试板沿垂直于地面方向进行上下移动，从而模拟张开型基本裂缝；因此，本申请可以模拟不同的裂缝情况，并通过光纤传感器感应裂缝的应变，由光纤传感设备监测应变的数据。
本申请的优点为：
1、本申请的裂缝模拟与标定装置可以通过三个不同滑台的精准控制实现断裂力学中典型基本裂缝形式的模拟，调节滑台的位移可以表现不同裂缝形式的开裂程度，对裂缝形式及开度的模拟简易、准确且形象。
2、通过滑台的联用模拟多种裂缝组合形式，对工程结构中复杂的开裂情况进行模拟，更贴近现实工程环境中裂缝的受力形式，利于复合型裂缝的模拟及后续研究。
3、本申请融合光纤传感技术，采用光纤传感器对裂缝模拟装置进行实时监测，可以连续获取裂缝处的力学响应，对裂缝发育过程进行全周期实测。
4、通过构建裂缝从萌生到扩展全过程的光学信息及力学响应之间的光-力转换关系，可以建立开裂判据和开度标定关系，并对工程结构裂缝研究提供有效技术支撑。
5、光纤传感器抗电磁干扰性能好，电绝缘性能优良，适用范围广，安全可靠，无需电源驱动，传输损耗小，可实现长期有效监测，利于裂缝模拟装置设备长期适用。
附图说明
图1为基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置的结构示意图；
图2为基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置的主视图；
图3为基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置的俯视图；
图4为基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置的侧视图；
图5为基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置的后视图；
图6为Z向滑台结构示意图；
图7为Y向滑台结构示意图；
图8为R向滑台结构示意图；
图9为固定支座示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图5具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，所述装置包括上测试板1、下测试板2、固定支座3、Z向滑台4、Y向滑台5、R向滑台6、光纤传感器10和光纤传感设备11；
上测试板1和下测试板2沿竖直方向搭接，上测试板1和下测试板2的搭接处用于模拟裂缝，固定支座3固定在下测试板2的一侧面，R向滑台6设置在固定支座3上，Y向滑台5设置在R向滑台6上，Z向滑台4设置在Y向滑台5上，Z向滑台4与上测试板1 一侧面固定连接；
光纤传感器10横跨上测试板1和下测试板2，并粘贴于上测试板1和下测试板2另一侧面上，光纤传感器10，用于感应上测试板1和下测试板2产生缝隙引起的应变或波长的变化；
光纤传感设备11与光纤传感器10连接，用于光纤传感器10应变或波长的接收与显示，还用于根据Z向滑台4、Y向滑台5和R向滑台6中至少一个滑台产生的位移和该位移对应的应变或波长变化，建立位移与光纤传感器10应变或波长变化的关系。
本申请通过Z向滑台4、Y向滑台5、R向滑台6的联用，实现复杂裂缝形式的模拟。位移为裂纹开度。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置作进一步说明，本实施方式中，所述装置还包括两个传感器夹持板7
两个传感器夹持板7将固定光纤传感器10固定在上测试板1和下测试板2上。
本实施方式中，通过调节三向组合滑台可模拟断裂力学中三种基本裂缝及其复合型裂缝的形式及开度，结合光纤传感器获得的光学信息，建立不同形式、开度裂缝的光-力转换关系，提出裂缝标定方法。本发明的功能可具体分为基于断裂力学的裂缝模拟和基于光学传感的裂缝标定，通过两种功能的一体化设计为工程结构中裂缝识别与量化提供试验装置及测试方法，具有操作流程简易、测试结果高精连续、装置零件长期适用且灵活可调等多种优势。
通过Z向滑台4、Y向滑台5、R向滑台6的独立或组合使用对不同裂缝形式进行模拟，调节滑台的位移以控制相应裂缝形式的开度模拟，将光纤传感器以不同角度布设实现裂缝不同走向的模拟。
通过定量控制滑台位移，观察光纤传感器监测数据规律。组合滑台可以实现ZYR三向的移动。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式二所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置作进一步说明，本实施方式中，所述装置还包括蝶形螺丝8，
通过蝶形螺丝8固定两个传感器夹持板7。
本实施方式中，图2所示的传感器夹持板7和蝶形螺丝8用于固定光纤传感器10本身或其数据传输铠装线，以保证传感器与上测试板1及下测试板2之间的变形同步性。三组限位螺丝9分别与上测试板1后方的Z向滑台4、Y向滑台5、R向滑台6相连，通过调整限位螺丝9可以实现上测试板1与滑台的联动，进而对三种基本裂缝及其复合型裂缝形式进行模拟。
具体实施方式四：参照图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置作进一步说明，本实施方式中，Z向滑台4包括Z向移动台4a、Z向固定底座4b、Z向锁紧螺丝4c、Z向微分头4d和Z向边角固定孔4e，
Z向移动台4a通过限位螺丝9与上测试板1相连，Z向固定底座4b的四角开设有Z 向边角固定孔4e，Z向边角固定孔4e通过螺丝固定在Y向滑台5上，
Z向固定底座4b设置在Y向滑台5上，
Z向锁紧螺丝4c，用于解锁Z向微分头4d，并锁住Z向微分头4d的移动位置；
调节Z向微分头4d，使Z向移动台4a带动上测试板1沿垂直于地面方向进行上下移动，从而模拟张开型基本裂缝。
本实施方式中，Z向微分头4d读数为裂缝相应开度。Z向滑台4的型号为LZ40。
具体实施方式五：参照图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置作进一步说明，本实施方式中，Y向滑台5包括Y向锁紧螺丝5a、Y向移动台5b、Y向固定底座5c、Y向微分头5d和Y向边角固定孔5e，
Y向固定底座5c设置在R向滑台6上，Y向移动台5b的四角开有Y向边角固定孔5e， Y向边角固定孔5e与Z向固定底座4b通过螺钉固定，
Y向锁紧螺丝5a，用于解锁Y向微分头5d，并锁住Y向移动台5b的移动位置；
调节Y向微分头5d，使Y向移动台5b相对Y向固定底座5c沿着Y向微分头5d的方向移动，通过Z向滑台4带动上测试板1沿垂直于下测试板2方向进行前后移动，从而模拟滑开型基本裂缝。
本实施方式中，Y向微分头5d读数为裂缝相应开度。Y向滑台5的型号为LX40。
具体实施方式六：参照图8具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式五所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置作进一步说明，本实施方式中，R向滑台6包括R向锁紧螺丝6a、粗精调切换螺丝6b、R向微分头6c、R向固定底座6d、R向移动台6e和R向边角固定孔6f，
固定支座3的中心固定连接导柱3a，导柱3a插入R向固定底座6d的中心孔，R向移动台6e的四角开设R向边角固定孔6f，R向边角固定孔6f与Y向固定底座5c通过螺钉固定，
粗精调切换螺丝6b，用于调整R向移动台6e的转动精度；
R向锁紧螺丝6a用于解锁R向微分头6c，并锁住R向微分头6c的移动位置；
调节R向微分头6c，R向移动台6e转动，通过Z向滑台4和Y向滑台5带动上测试板1沿R向滑台6中心转动，从而模拟撕开型基本裂缝。
本实施方式中，R向微分头6c读数为裂缝相应开度。图9所示的固定支座3保证装置整体稳定性，并通过导柱3a固定R向滑台4。R向滑台6的型号为RS60。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置作进一步说明，本实施方式中，光纤传感器10为点式光纤光栅传感器或分布式光纤传感器，
光纤光栅传感器，用于感应上测试板1和下测试板2产生缝隙引起的波长的变化；
分布式光纤传感器，用于感应上测试板1和下测试板2产生缝隙引起的应变变化。
本实施方式中，由图1所示的光纤传感器10可为点式光纤光栅传感器或分布式光纤传感器，传感器封装形式、尺寸、数量不限，可采用环氧树脂、353ND固化胶等通过粘贴的方式固定于上测试板1及下测试板2，并在两端由传感器夹持板7和蝶形螺丝8固定位置，其中光纤传感器放置角度可调。所述的光纤传感器10与光纤传感设备11相连接，点式光纤传感器和分布式光纤传感器应分别配合光纤光栅解调仪和分布式光纤传感系统进行使用，用于光纤传感器对裂缝监测实时数据的获取。

Claims (6)

1.基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，其特征在于，所述装置包括上测试板(1)、下测试板(2)、固定支座(3)、Z向滑台(4)、Y向滑台(5)、R向滑台(6)、光纤传感器(10)和光纤传感设备(11)；
上测试板(1)和下测试板(2)沿竖直方向搭接，上测试板(1)和下测试板(2)的搭接处用于模拟裂缝，固定支座(3)固定在下测试板(2)的一侧面，R向滑台(6)设置在固定支座(3)上，Y向滑台(5)设置在R向滑台(6)上，Z向滑台(4)设置在Y向滑台(5)上，Z向滑台(4)与上测试板(1)一侧面固定连接；
光纤传感器(10)横跨上测试板(1)和下测试板(2)，并粘贴于上测试板(1)和下测试板(2)另一侧面上，光纤传感器(10)，用于感应上测试板(1)和下测试板(2)产生缝隙引起的应变或波长的变化；
光纤传感设备(11)与光纤传感器(10)连接，用于光纤传感器(10)应变或波长的接收与显示，还用于根据Z向滑台(4)、Y向滑台(5)和R向滑台(6)中至少一个滑台产生的位移和该位移对应的应变或波长变化，建立位移与光纤传感器(10)应变或波长变化的关系；
Z向滑台(4)包括Z向移动台(4a)、Z向固定底座(4b)、Z向锁紧螺丝(4c)、Z向微分头(4d)和Z向边角固定孔(4e)，
Z向移动台(4a)通过限位螺丝(9)与上测试板(1)相连，Z向固定底座(4b)的四角开设有Z向边角固定孔(4e)，Z向边角固定孔(4e)通过螺丝固定在Y向滑台(5)上，
Z向固定底座(4b)设置在Y向滑台(5)上，
Z向锁紧螺丝(4c)，用于解锁Z向微分头(4d)，并锁住Z向微分头(4d)的移动位置；
调节Z向微分头(4d)，使Z向移动台(4a)带动上测试板(1)沿垂直于地面方向进行上下移动，从而模拟张开型基本裂缝。
2.根据权利要求1所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，其特征在于，所述装置还包括两个传感器夹持板(7)；
两个传感器夹持板(7)将光纤传感器(10)固定在上测试板(1)和下测试板(2)上。
3.根据权利要求2所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，其特征在于，所述装置还包括蝶形螺丝(8)，
通过蝶形螺丝(8)固定两个传感器夹持板(7)。
4.根据权利要求1所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，Y向滑台(5)包括Y向锁紧螺丝(5a)、Y向移动台(5b)、Y向固定底座(5c)、Y向微分头(5d)和Y向边角固定孔(5e)，
Y向固定底座(5c)设置在R向滑台(6)上，Y向移动台(5b)的四角开有Y向边角固定孔(5e)，Y向边角固定孔(5e)与Z向固定底座(4b)通过螺钉固定，
Y向锁紧螺丝(5a)，用于解锁Y向微分头(5d)，并锁住Y向移动台(5b)的移动位置；
调节Y向微分头(5d)，使Y向移动台(5b)相对Y向固定底座(5c)沿着Y向微分头(5d)的方向移动，通过Z向滑台(4)带动上测试板(1)沿垂直于下测试板(2)方向进行前后移动，从而模拟滑开型基本裂缝。
5.根据权利要求4所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，其特征在于，R向滑台(6)包括R向锁紧螺丝(6a)、粗精调切换螺丝(6b)、R向微分头(6c)、R向固定底座(6d)、R向移动台(6e)和R向边角固定孔(6f)，
固定支座(3)的中心固定连接导柱(3a)，导柱(3a)插入R向固定底座(6d)的中心孔，R向移动台(6e)的四角开设R向边角固定孔(6f)，R向边角固定孔(6f)与Y向固定底座(5c)通过螺钉固定，
粗精调切换螺丝(6b)，用于调整R向移动台(6e)的转动精度；
R向锁紧螺丝(6a)用于解锁R向微分头(6c)，并锁住R向微分头(6c)的移动位置；
调节R向微分头(6c)，R向移动台(6e)转动，通过Z向滑台(4)和Y向滑台(5)带动上测试板(1)沿R向滑台(6)中心转动，从而模拟撕开型基本裂缝。
6.根据权利要求1所述的基于断裂力学和光纤传感的裂缝模拟标定装置，其特征在于，光纤传感器(10)为点式光纤光栅传感器或分布式光纤传感器，
光纤光栅传感器，用于感应上测试板(1)和下测试板(2)产生缝隙引起的波长的变化；
分布式光纤传感器，用于感应上测试板(1)和下测试板(2)产生缝隙引起的应变变化。
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