本發(fā)明涉及一種構(gòu)件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測(cè)方法，具體為基于聲-超聲及聲發(fā)射技術(shù)的構(gòu)件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

疲勞斷裂是機(jī)械構(gòu)件失效的主要形式之一。機(jī)械構(gòu)件承受交變載荷或應(yīng)變時(shí)，會(huì)引起局部應(yīng)力變化及內(nèi)部缺陷發(fā)展，使得力學(xué)性能下降，甚至造成構(gòu)件疲勞斷裂，進(jìn)而引發(fā)安全事故。為此，對(duì)重要設(shè)備的關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，并深入研究其疲勞特性有著迫切需求目前的疲勞試驗(yàn)中有關(guān)疲勞裂紋、構(gòu)件性能方面的數(shù)據(jù)獲取主要以目視檢查和簡(jiǎn)單計(jì)量為主，即通過(guò)肉眼觀測(cè)被測(cè)試件是否出現(xiàn)裂紋，或者通過(guò)停機(jī)使用千分尺等檢測(cè)裂紋大小等。這些方法存在效率低、難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等局限性，難以獲取疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂的全過(guò)程數(shù)據(jù)，且獲取的數(shù)據(jù)類型單一。為實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞裂紋實(shí)時(shí)監(jiān)控，授權(quán)公開號(hào)CN203572806U，授權(quán)公開日2014年4月30日的專利文獻(xiàn)公開了一種疲勞裂紋在線檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，并能通過(guò)顯微圖像采集裝置實(shí)時(shí)獲取疲勞裂紋的圖像信號(hào)，上述聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)僅能觀察到加載過(guò)程中疲勞裂紋的變化，無(wú)法獲知構(gòu)件在靜載和卸載下的裂紋狀態(tài)信息，且難以獲知試件材料的力學(xué)性能變化情況。申請(qǐng)公布號(hào)CN102253087A，公布日為2011年11月23日的專利文獻(xiàn)公開了一種疲勞裂紋擴(kuò)展速率自動(dòng)測(cè)量裝置及方法，通過(guò)測(cè)量斷裂線隨著試樣中疲勞裂紋擴(kuò)展而依次斷裂的情況，獲得試樣疲勞裂紋擴(kuò)展參數(shù)，經(jīng)過(guò)工控機(jī)處理，得出疲勞裂紋擴(kuò)展速率，但該方法只能提供疲勞裂紋擴(kuò)展速率單方面信息，無(wú)法為構(gòu)件疲勞損傷特性研究提供更豐富更全面的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此需要一種能夠提供更全面疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是提供基于聲-超聲及聲發(fā)射技術(shù)的構(gòu)件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法，該方法不僅能夠通過(guò)聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測(cè)疲勞試驗(yàn)中被測(cè)試件在加載和卸載過(guò)程中疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，還能通過(guò)聲-超聲技術(shù)檢測(cè)疲勞試驗(yàn)靜載時(shí)試件裂紋的狀態(tài)信息及其力學(xué)性能信息。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案：基于聲-超聲及聲發(fā)射技術(shù)的構(gòu)件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法，其所采用的監(jiān)測(cè)裝置包括疲勞試驗(yàn)機(jī)、被測(cè)試件、工控機(jī)、四個(gè)壓電換能器、超聲信號(hào)發(fā)生器、聲發(fā)射采集卡及切換電路。四個(gè)壓電換能器分別安裝在所述被測(cè)試件兩端及兩側(cè)，且壓電換能器與被測(cè)試件間填充有耦合劑，超聲信號(hào)發(fā)生器通過(guò)切換電路與試件一端的兩個(gè)壓電換能器連接，被測(cè)試件另一端的兩個(gè)壓電換能器通過(guò)帶通濾波器、前置放大器與聲發(fā)射采集卡連接，聲發(fā)射采集卡與工控機(jī)連接，工控機(jī)與疲勞試驗(yàn)機(jī)建立通訊，工控機(jī)可以通過(guò)獲取疲勞試驗(yàn)機(jī)工作狀態(tài)來(lái)控制切換電路的工作。

所述切換電路如圖3所示，包括控制器、電阻R、NPN晶體管、二極管、繼電器。其中控制器與工控機(jī)相連，開關(guān)K1、K2的固定觸點(diǎn)端分別與試件一端的兩個(gè)壓電換能器相連，觸點(diǎn)a、c端與超聲信號(hào)發(fā)生器相連，觸點(diǎn)b、d端與濾波器相連，開關(guān)K1、K2分別與觸點(diǎn)b、d閉合是其初始狀態(tài)，其中開關(guān)K1、K2可手動(dòng)進(jìn)行切換。當(dāng)被測(cè)試件加載時(shí)，工控機(jī)通過(guò)與疲勞試驗(yàn)機(jī)通訊，獲知疲勞試驗(yàn)機(jī)處于加載狀態(tài)，向控制器發(fā)送等待指令，繼電器線圈不通電，開關(guān)K1、K2不動(dòng)作，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)模式，當(dāng)被測(cè)試件靜載時(shí)，工控機(jī)可以獲知疲勞試驗(yàn)機(jī)處于靜載狀態(tài)，向控制器發(fā)送動(dòng)作指令，繼電器線圈通電，開關(guān)K1、K2動(dòng)作，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于聲-超聲檢測(cè)模式。

在對(duì)被測(cè)試件加載時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)模式，通過(guò)壓電換能器實(shí)時(shí)采集被測(cè)試件中由于疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，經(jīng)帶通濾波器濾波與前置放大器放大，由聲發(fā)射采集卡接收，再傳送到工控機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存，當(dāng)被測(cè)試件靜載時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)切換到聲-超聲檢測(cè)模式，由超聲信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)與其相連的壓電換能器轉(zhuǎn)換成超聲波傳入被測(cè)試件中，再傳入被測(cè)試件另一端的壓電換能器，經(jīng)帶通濾波器濾波與前置放大器放大，由聲發(fā)射采集卡接收，再傳送到工控機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存。

隨著在被測(cè)試件上進(jìn)行加載循環(huán)，直至試件斷裂結(jié)束試驗(yàn)。將工控機(jī)中記錄的聲發(fā)射信號(hào)與聲-超聲信號(hào)提取出來(lái)，分別進(jìn)行分析處理。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

自動(dòng)完成疲勞試驗(yàn)機(jī)加載、卸載過(guò)程中構(gòu)件裂紋數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及靜載過(guò)程中構(gòu)件性能狀態(tài)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，經(jīng)過(guò)分析處理采集到的聲發(fā)射與聲-超聲信號(hào)，可以獲知疲勞裂紋分布情況、裂紋數(shù)量增長(zhǎng)率以及試驗(yàn)過(guò)程中被測(cè)試件力學(xué)性能變化情況等信息。由此可對(duì)被測(cè)試件進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，為構(gòu)件疲勞試驗(yàn)和材料疲勞損傷研究提供更全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1為疲勞試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖；

圖2為壓電換能器布置圖；

圖3為切換電路原理圖；

圖4為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)模式原理圖；

圖5為聲-超聲檢測(cè)模式原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1與如圖2所示，本發(fā)明中的基于聲-超聲及聲發(fā)射技術(shù)的構(gòu)件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方法，其所采用的監(jiān)測(cè)裝置包括疲勞試驗(yàn)機(jī)(1)、被測(cè)試件(2)、工控機(jī)(5)、壓電換能器(9)、壓電換能器(10)、壓電換能器(11)、壓電換能器(12)、超聲信號(hào)發(fā)生器(4)、聲發(fā)射采集卡(6)及切換電路(3)。四個(gè)壓電換能器如圖2所示分別安裝在所述被測(cè)試件(2)兩端及兩側(cè)，壓電換能器與被測(cè)試件間填充有耦合劑，超聲信號(hào)發(fā)生器(4)通過(guò)切換電路(3)與試件(2)一端的壓電換能器(9)、壓電換能器(11)連接，被測(cè)試件另一端的壓電換能器(10)、壓電換能器(12)通過(guò)帶通濾波器(8)、前置放大器(7)與聲發(fā)射采集卡(6)連接，聲發(fā)射采集卡(6)與工控機(jī)(5)連接，工控機(jī)(5)與疲勞試驗(yàn)機(jī)(1)建立通訊。

如圖3所示，所述切換電路包括控制器(31)、電阻(32)、NPN晶體管(33)、二極管(34)、繼電器(35)，被測(cè)試件加載時(shí)，由工控機(jī)(5)向控制器(31)發(fā)送等待命令，控制器(31)向電路輸入低電平，繼電器線圈不通電，開關(guān)K1，K2分別與觸點(diǎn)b，d接觸，裝置處于如圖4所示聲發(fā)射監(jiān)測(cè)模式，被測(cè)試件靜載時(shí)，由工控機(jī)(5)向控制器(31)發(fā)送動(dòng)作命令，控制器(31)向電路輸入高電平，繼電器線圈通電，開關(guān)K1，K2分別與觸點(diǎn)a，c接觸，裝置處于如圖5所示聲-超聲檢測(cè)模式。

下面以鋁合金被測(cè)試件為例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。本實(shí)例采用的超聲信號(hào)發(fā)生器(4)激勵(lì)頻率范圍為100kHz-1MHz、激勵(lì)電壓為300V，所述壓電換能器中心頻率為500KHZ，所述帶通濾波器中心頻率為1050KHz，通帶寬度為1.9MHz，所述聲發(fā)射信號(hào)采集卡(6)選用PCI-2信號(hào)采集卡，所述前置放大器(7)選用2/4/6型，放大倍數(shù)選擇40倍，耦合劑選用凡士林。

首先，對(duì)聲-超聲檢測(cè)模式和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)模式進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)，具體過(guò)程如下：手動(dòng)閉合繼電器開關(guān)，使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于聲-超聲檢測(cè)模式，通過(guò)超聲信號(hào)發(fā)生器(4)產(chǎn)生500kHz的正弦周期信號(hào)激勵(lì)壓電換能器(9)、壓電換能器(11)，觀察壓電換能器(10)、壓電換能器(12)的接收信號(hào)，調(diào)整壓電換能器(9)、壓電換能器(10)、壓電換能器(11)、壓電換能器(12)的耦合狀態(tài)，使得接收信號(hào)幅值最大；然后手動(dòng)復(fù)位繼電器開關(guān)，使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)模式，利用斷鉛實(shí)驗(yàn)對(duì)聲發(fā)射軟件中各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使得接收信號(hào)能量最大。

根據(jù)《GB/T 3075-2008金屬材料疲勞試驗(yàn)軸向力控制方法》，采用如圖2所示矩形截面的標(biāo)準(zhǔn)試樣，在疲勞試驗(yàn)機(jī)的操作界面中將最大應(yīng)力σ_max設(shè)置為100KN，應(yīng)力比選用正弦波波形，頻率設(shè)為2.5Hz，其中應(yīng)力比R表示在疲勞試驗(yàn)中任一個(gè)單循環(huán)的最小應(yīng)力σ_min與最大應(yīng)力σ_max比值。

其次，開始疲勞試驗(yàn)及疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

當(dāng)被測(cè)試件(2)加載時(shí)，工控機(jī)(5)通過(guò)與疲勞試驗(yàn)機(jī)(1)通訊，獲知疲勞試驗(yàn)機(jī)(1)處于加載狀態(tài)，工控機(jī)(5)向控制器(31)發(fā)送等待命令，切換電路(3)不動(dòng)作，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)模式，通過(guò)壓電換能器(9)、壓電換能器(11)、壓電換能器(10)和壓電換能器(12)實(shí)時(shí)采集被測(cè)試件中由于疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)，經(jīng)帶通濾波器(8)濾波與前置放大器(7)放大處理，由聲發(fā)射采集卡(6)接收，再傳送到工控機(jī)(5)進(jìn)行儲(chǔ)存。

當(dāng)被測(cè)試件靜載時(shí)，工控機(jī)(5)通過(guò)與疲勞試驗(yàn)機(jī)(1)通訊，獲知疲勞試驗(yàn)機(jī)(1)處于靜載狀態(tài)，由工控機(jī)(5)向控制器(31)發(fā)送動(dòng)作命令，切換電路(3)動(dòng)作，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入聲-超聲檢測(cè)模式，超聲信號(hào)發(fā)生器(4)先后對(duì)壓電換能器(9)、壓電換能器(11)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)傳入被測(cè)試件(2)中，然后分別由接收聲-超聲信號(hào)用的壓電換能器(10)、壓電換能器(12)接收聲-超聲信號(hào)，經(jīng)帶通濾波器(8)濾波與前置放大器(7)放大處理，由聲發(fā)射采集卡(6)接收，再傳送到工控機(jī)(5)進(jìn)行儲(chǔ)存。

最后，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的加載循環(huán)，直至試件斷裂或達(dá)到設(shè)置的循環(huán)次數(shù)后，結(jié)束試驗(yàn)。將工控機(jī)中記錄的聲發(fā)射信號(hào)與聲超聲信號(hào)提取出來(lái)，用于后續(xù)的構(gòu)件疲勞試驗(yàn)過(guò)程中裂紋狀態(tài)變化及構(gòu)件性能變化的分析。