CN113533435B - 一种电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，包括如下步骤：对含有不同裂纹长度的试样进行稳态电流传导有限元分析，得到电位公式；在试样上连接导线，连接电源电压表形成闭环电路，安装试样，进行试验；裂纹扩展过程中，根据电位公式和实时的电压变化，中途停机复型若干次；根据断口形貌判断裂纹扩展过程中的裂纹形状及裂纹尺寸的变化，重新计算得到电位公式；根据复型数据和从断口测量的裂纹长度数据修正上一步计算的电位公式；根据记录的电位数据结合修正的电位公式处理得到裂纹前沿任意一点的裂纹长度变化曲线，进而计算得到裂纹前沿任意一点的裂纹扩展速率。本发明解决了传统电位法由于外界干扰因素，可靠性较低的问题。

Description

一种电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法

技术领域

本发明属于力学测试技术领域，涉及一种电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法。

背景技术

在工程实际中，构件常常在受到复杂载荷作用后产生裂纹，裂纹的萌生和扩展会导致结构的破坏。根据断裂力学理论，服役结构表面的裂纹尺寸以及裂纹扩展速率是进行结构疲劳损伤评估与剩余疲劳寿命预测的重要参数。为避免含裂纹结构在服役过程中过早地发生疲劳断裂失效，必须及时准确地测量出疲劳裂纹的长度，并计算出相应的疲劳裂纹扩展速率，以便于确定设备的检查周期，保证其服役性能与可靠性。

目前已经发展出多种曲线裂纹扩展的监测方法，比较常用的有光学观测法、复型法和电位法，而这三种方法都有其自身缺陷。对于光学观测法，记录的数据点有限，且裂纹长度的测量精度受观测设备的影响，由于观测距离较远，容易导致裂纹尖端分辨不清，影响测量精度。对于复型法，同样需要在试验过程中停机若干次来测量裂纹长度，测量的精度较好，但若为高温裂纹扩展试验，则需等试样温度降低到复型胶的使用温度方可复型，导致试验周期大大增长。对于电位法，由于干扰电位的外界因素较多，导致实际与仿真计算的电位公式不可避免地存在偏差，因此计算得到的裂纹长度也并非实际值。

发明内容

本发明提供一种电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，以解决传统电位法由于外界干扰因素，可靠性较低的问题。

一种电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，包括如下步骤：

步骤1，对含有不同裂纹长度的试样进行稳态电流传导有限元分析，计算出电压与裂纹长度的关系，拟合得到电位公式；

步骤2，在试样上连接导线，连接电源电压表形成闭环电路，设置电源电流大小，安装试样，进行试验；

步骤3、裂纹扩展过程中，根据步骤1得到的电位公式和实时的电压变化，中途停机复型若干次；

步骤4，根据断口形貌判断裂纹扩展过程中的裂纹形状及裂纹尺寸的变化，重新计算得到电位公式；

步骤5，根据复型数据和从断口测量的裂纹长度数据修正步骤4计算的电位公式；

步骤6，根据记录的电位数据结合修正的电位公式处理得到裂纹前沿任意一点的裂纹长度变化曲线，进而计算得到裂纹前沿任意一点的裂纹扩展速率。

所述步骤1具体为：

建立含裂纹试样的几何模型，选择电流输入点，施加恒定电流，给定零电势点，进行稳态电流传导计算；计算完成后选择电压输出点，提取其电压值；然后，根据裂纹扩展过程中裂纹形状的变化，改变裂纹尺寸，其它条件不变，再次计算电压值，以此类推，计算出裂纹扩展过程中多个时刻的电压值；然后，选择某一较小的裂纹长度下的电压值作为参考电压V_r，将电压关于参考电压进行归一，将裂纹长度关于试样尺寸进行归一，以归一化的裂纹长度为自变量，归一化的电压为因变量，拟合得到电位公式。

所述步骤1中，电流输入点和电压输出点的选择应使电压对裂纹长度的敏感性最大，通过不断进行有限元仿真帮助选取。

所述步骤2具体为：

按照步骤1选取的电流输入点和电压输出点在试样上连接导线，连接电源电压表形成闭环电路，设置电源恒定电流大小，然后安装试样，设置好试验参数，开始试验；其中试样上导线的连接方式为焊接或铆接。

所述步骤3具体为：

首先选取裂纹扩展过程中需要复型的若干个时刻的裂纹长度，然后根据步骤1得到的电位公式，计算裂纹扩展到预计的长度，电压增大的百分比，然后根据实时电压数据，待电压增大了该百分比时，停机复型。

所述步骤3中，复型步骤为：

(1)复型前用酒精棉球清洗试样的裂纹缺口表面；

(2)施加一不超过最大试验载荷的80％的静载使裂纹完全张开，将组装好的复型系统喷嘴头对准裂纹面，缓慢注射复型胶，直到复型胶完全充满缺口或覆盖裂纹，然后用一小纸片轻轻按压复型胶底部，以便之后取下的复型底部平整；5分钟后待复型胶完全凝固后，用镊子取下复型胶；

(3)取下复型，将其妥善保存并贴上相应的复型编号标签，记录下此时的循环数；

(4)显微镜观察复型时，应看到明显的裂纹形貌，不应有气泡或夹杂物存在，否则无效，重新复型。

所述步骤5具体为：

根据断口面的颜色分层线，以裂纹前沿任意一点为研究对象，测量该点在若干次停机时刻的裂纹长度；再将裂纹扩展过程中记录的几次由于停机复型导致的不连续的电位数据连接成连续的一条电压历程曲线，得到若干次停机时的电压值；利用实际测量的裂纹长度和电压的关系数据，对步骤4得到电位公式进行修正，修正的目标是使电位公式曲线与复型数据点最为贴合。

所述步骤6具体为：

根据电压历程曲线，结合步骤5修正得到的电位公式，将电压值转化为裂纹长度，从而得到裂纹前沿任意一点的裂纹长度变化曲线，通过对该曲线求导即得到任意时刻的裂纹扩展速率；然后，通过有限元计算得到裂纹前沿任意一点的应力强度因子与裂纹长度的关系；最后将二者结合得到裂纹扩展速率曲线。

有益效果：本发明解决了传统电位法由于外界干扰因素，可靠性较低的问题，试验周期相对传统复型法大大缩短，可记录裂纹扩展的全程数据。并且，由于高温显色效应，试验结束后可通过断口直接观测到裂纹形状及长度的变化。

本发明在裂纹扩展过程中停机复型，用复型数据和断口数据修正了理论计算的电位公式，弥补了电位法由于多种因素干扰而与理论电位公式不符的缺陷，获取的试验数据可靠。由于中途停机复型，断口可在高温下呈现颜色分层的现象，从而可以显著地看出裂纹形状及裂纹尺寸的变化，可从断口分层线测量裂纹前沿任意点的裂纹长度，与复型结果相互验证，并最终得到裂纹前沿任意点的裂纹扩展速率。

附图说明

图1是本发明操作流程图；

图2是曲线裂纹尺寸定义图；

图3是试样图纸示例；

图4是电位法导线连接示意图；

图5是带裂纹体稳态电流仿真分析结果；

图6是初步拟合的电位曲线结果；

图7是裂纹扩展断口宏观图像；

图8是通过复型法测得的裂纹长度；

图9是通过断口显色效应测得的裂纹长度；

图10是电位变化历程曲线；

图11是通过实际裂纹长度修正的电位曲线；

图12是表面点裂纹扩展过程曲线；

图13是表面点裂纹扩展速率曲线。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的一种电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，包括如下步骤：

步骤1，对含有不同裂纹长度的试样进行稳态电流传导有限元分析，计算出电压与裂纹长度的关系，拟合得到电位公式。具体如下：

建立含裂纹试样的几何模型，选择电流输入点，施加恒定电流，给定零电势点，进行稳态电流传导计算；计算完成后选择电压输出点，提取其电压值；然后，根据经验假设扩展过程中裂纹形状的变化，改变裂纹尺寸，其它条件不变，再次计算电压值，以此类推，计算出裂纹扩展过程中多个时刻的电压值；然后，选择某一较小的裂纹长度下的电压值作为参考电压V_r，将电压关于参考电压进行归一，将裂纹长度关于试样尺寸进行归一，以归一化的裂纹长度为自变量，归一化的电压为因变量，拟合得到电位公式。其中，电流输入点和电压输出点的选择应使电压对裂纹长度的敏感性最大，通过不断进行有限元仿真帮助选取。

在一个实施例中，曲线裂纹尺寸的定义如图2所示，试样的几何尺寸如图3所示，在其一侧的缺口面中心处加工了一半圆形表面缺陷。导线连接示意图如图4所示，两端为电流输入端，中间为电压输出端，L1和L2表示导线连接点间的距离，它们关于中间截面对称。建立中间标距段的带裂纹的有限元几何模型，设裂纹形状为半圆且扩展过程中保持不变，取L1＝24mm，L2＝12mm，在输入端一端施加5A电流，一端施加零电势，进行稳态电流传导分析，得到的电势分布如图5所示。最后提取输出端的电势，即可得到输出电压值。同理，不断改变裂纹大小，可以得到不同裂纹长度下的输出电压。选取裂纹半径为0.35mm时的电压作为参考电压V_r，拟合的电位曲线如图6所示，电位公式如下：

其中，a为裂纹在试样表面点的长度，B为试样厚度，V为输出电压，V_r为参考电压，C₁＝1.3716，C₂＝-2.7116，C₃＝1.3400，C₄＝-1.9161，C₅＝0.9163。

步骤2，在试样上连接导线，连接电源电压表形成闭环电路，设置电源电流大小，安装试样，设置好相关参数，开始试验。具体如下：

按照步骤1选取的电流输入点和电压输出点在试样上连接导线，连接电源电压表形成闭环电路，设置电源恒定电流大小，一般在5～50A范围内，典型的输出电压在0.1～50mV范围内。为了得到足够的电位分辨率，应特别注意噪声和零漂。然后安装试样，设置好相关试验参数，开始试验。其中试样上导线的连接方式采用焊接或铆接，但为了降低试验时在铆接处产生裂纹的风险，优选焊接方式连接。

在一个实施例中，使用焊接方式连接导线，电流设置为5A，试验载荷类型为恒幅疲劳载荷，裂纹类型为中心表面裂纹，温度为600℃，最大载荷为22.2kN，载荷比为0.05，频率为10Hz，设置好相关参数后开始试验。

步骤3，裂纹扩展过程中，根据初步得到的电位公式和实时的电压变化，中途停机复型若干次。具体如下：

首先选取裂纹扩展过程中需要复型的若干个时刻的裂纹长度，然后根据初步得到的电位公式，计算裂纹扩展到预计的长度，电压增大的百分比，然后根据实时电压数据，待电压增大了该百分比时，停机复型。其中，复型的具体操作为：

(1)复型前用酒精棉球清洗缺口表面。

(2)施加一不超过最大试验载荷的80％静载使裂纹完全张开，将组装好的复型系统喷嘴头对准裂纹面，缓慢注射复型胶，直到复型胶完全充满缺口或覆盖裂纹，然后用一小纸片轻轻按压复型胶底部，以便之后取下的复型底部平整，方便观察。5分钟后待复型胶完全凝固后，用镊子小心取下复型胶。为帮助辨别复型的方位，可剪去其中一个角。

(3)取下复型，将其妥善保存并贴上相应的复型编号标签，记录下此时的循环数。

(4)显微镜观察复型时，应看到明显的裂纹形貌，不应有气泡或夹杂物存在，否则无效，重新复型。

在一个实施例中，初始裂纹尺寸2a≈0.7mm，要想第一次停机时裂纹长度为1.7mm，则需根据电位公式计算电压增大的百分比，为0.344％，根据实时电压数据，待电压增加了该百分比时停止试验，复型后测量出裂纹长度，选取下次复型的裂纹长度，根据电位在此停机，以此类推。要求裂纹扩展过程中复型若干次，且裂纹长度尽量分布均匀。

步骤4，由于初步的电位公式是通过假设裂纹形状得到的，而试验结束后根据断口形貌可以得到实际裂纹扩展的形状变化。根据断口形貌判断裂纹扩展过程中的裂纹形状及裂纹尺寸的变化，重新计算得到电位公式。

在一个实施例中，试件宏观断口如图7所示。由于裂纹形状大致呈半圆形，与之前假设的裂纹形状一致，故不需要重新计算电位公式。

步骤5，根据复型数据和从断口测量的裂纹长度数据修正步骤4计算的电位公式。

具体如下：

根据断口面的颜色分层线，以裂纹前沿任意一点为研究对象，测量该点在若干次停机时刻的裂纹长度。再将裂纹扩展过程中记录的几次由于停机复型导致的不连续的电位数据连接成连续的一条电压历程曲线，得到三次停机时的电压值。由于导线连接等因素的影响，该点的实际电位公式与步骤4得到的电位公式总存在偏差，因此，利用实际测量的裂纹长度和电压的关系数据，对步骤4得到电位公式进行修正，具体修正方法视情况而定，目标是使电位公式曲线与复型数据点最为贴合。

在一个实施例中，选取裂纹表面点为研究对象，通过复型或断口测量该点的裂纹长度，二者可相互验证测量的精度，如图8和图9所示。将裂纹扩展过程中的电位数据练成连续的电压历程曲线，如图10所示。测量出表面点三次的裂纹长度，对步骤4得到的电位公式进行修正，该例通过平移理论电位曲线使修正后的曲线与实际测量的数据最为贴合，如图11所示，修正后的电位公式如下：

其中，C_i(i＝1～5)的值与上文保持一致，X₀＝0.00124，Y₀＝-0.02。

步骤6，根据记录的电位数据结合修正的电位公式处理得到裂纹前沿任意一点的裂纹长度变化曲线，进而可计算得到裂纹前沿任意一点的裂纹扩展速率。具体如下：

根据电压历程曲线，结合修正的电位公式，将电压值转化为裂纹长度，从而得到裂纹前沿任意一点的裂纹长度变化曲线，通过对该曲线求导即可得到任意时刻的裂纹扩展速率。然后，通过有限元计算得到裂纹前沿任意一点的应力强度因子与裂纹长度的关系。最后将二者结合即可得到裂纹扩展速率曲线。

在一个实施例中，得到的裂纹长度变化曲线如图12所示，最终得到的裂纹扩展速率曲线如图13所示。当然，若选取裂纹前沿其它点作为研究对象，通过上述步骤同样可以得到其裂纹扩展速率曲线。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，对含有不同裂纹长度的试样进行稳态电流传导有限元分析，计算出电压与裂纹长度的关系，拟合得到电位公式；具体为：

建立含裂纹试样的几何模型，选择电流输入点，施加恒定电流，给定零电势点，进行稳态电流传导计算；计算完成后选择电压输出点，提取其电压值；然后，根据裂纹扩展过程中裂纹形状的变化，改变裂纹尺寸，其它条件不变，再次计算电压值，以此类推，计算出裂纹扩展过程中多个时刻的电压值；然后，选择某一较小的裂纹长度下的电压值作为参考电压V_r，将电压关于参考电压进行归一，将裂纹长度关于试样尺寸进行归一，以归一化的裂纹长度为自变量，归一化的电压为因变量，拟合得到电位公式；

步骤2，在试样上连接导线，连接电源电压表形成闭环电路，设置电源电流大小，进行试验；

步骤3，裂纹扩展过程中，根据步骤1得到的电位公式和实时的电压变化，中途停机复型若干次；

步骤4，根据断口形貌判断裂纹扩展过程中的裂纹形状及裂纹尺寸的变化，重新计算得到电位公式；

步骤5，根据复型数据和从断口测量的裂纹长度数据修正步骤4计算的电位公式；

步骤6，根据记录的电位数据结合修正的电位公式处理得到裂纹前沿任意一点的裂纹长度变化曲线，进而计算得到裂纹前沿任意一点的裂纹扩展速率。

2.根据权利要求1所述的电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，其特征在于，所述步骤1中，电流输入点和电压输出点的选择应使电压对裂纹长度的敏感性最大，通过不断进行有限元仿真帮助选取。

3.根据权利要求1所述的电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

按照步骤1选取的电流输入点和电压输出点在试样上连接导线，连接电源电压表形成闭环电路，设置电源恒定电流大小，设置好试验参数，开始试验；其中试样上导线的连接方式为焊接或铆接。

4.根据权利要求1所述的电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

首先选取裂纹扩展过程中需要复型的若干个时刻的裂纹长度，然后根据步骤1得到的电位公式，计算裂纹扩展到预计的长度，电压增大的百分比，然后根据实时电压数据，待电压增大了该百分比时，停机复型。

5.根据权利要求1或4所述的电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，其特征在于，所述步骤3中，复型步骤为：

(1)复型前用酒精棉球清洗试样的裂纹缺口表面；

(2)施加一不超过最大试验载荷的80％的静载使裂纹完全张开，将组装好的复型系统喷嘴头对准裂纹面，缓慢注射复型胶，直到复型胶完全充满缺口或覆盖裂纹，然后用一小纸片轻轻按压复型胶底部，以便之后取下的复型底部平整；5分钟后待复型胶完全凝固后，用镊子取下复型胶；

(3)取下复型，将其妥善保存并贴上相应的复型编号标签，记录下此时的循环数；

(4)显微镜观察复型时，应看到明显的裂纹形貌，不应有气泡或夹杂物存在，否则无效，重新复型。

6.根据权利要求1所述的电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

根据断口面的颜色分层线，以裂纹前沿任意一点为研究对象，测量该点在若干次停机时刻的裂纹长度；再将裂纹扩展过程中记录的几次由于停机复型导致的不连续的电位数据连接成连续的一条电压历程曲线，得到若干次停机时的电压值；利用实际测量的裂纹长度和电压的关系数据，对步骤4得到电位公式进行修正，修正的目标是使电位公式曲线与复型数据点最为贴合。

7.根据权利要求1所述的电位法与复型法相结合的曲线裂纹扩展监测方法，其特征在于，所述步骤6具体为：

根据电压历程曲线，结合步骤5修正得到的电位公式，将电压值转化为裂纹长度，从而得到裂纹前沿任意一点的裂纹长度变化曲线，通过对该曲线求导即得到任意时刻的裂纹扩展速率；然后，通过有限元计算得到裂纹前沿任意一点的应力强度因子与裂纹长度的关系；最后将二者结合得到裂纹扩展速率曲线。

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