專利名稱：動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料力學(xué)性能測(cè)試分析領(lǐng)域，主要涉及金屬、塑料等無(wú)機(jī)材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的測(cè)試分析，尤其是涉及一種動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
金屬結(jié)構(gòu)件服役條件的安全評(píng)估以其抗斷能力評(píng)估為主。受條件限制，目前多進(jìn)行的為靜態(tài)斷裂力學(xué)的安全評(píng)估。實(shí)際中大量的失效事故多在動(dòng)載荷下發(fā)生，如豪華巨輪泰坦尼克號(hào)的斷裂，航天飛機(jī)挑戰(zhàn)者號(hào)空間解體等。因此材料的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)的安全評(píng)估才是更科學(xué)和可靠的。
傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)為沖擊試驗(yàn)機(jī)，只能記錄試樣一次打斷后的沖擊吸收功，無(wú)法記錄動(dòng)載荷條件下試樣的斷裂過(guò)程，更無(wú)法獲得材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌度。為了滿足新材料的研究需要、滿足工程設(shè)計(jì)及安全評(píng)估的需要，國(guó)際上目前研發(fā)生產(chǎn)的最先進(jìn)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)為Zwic/Roell Amsler沖擊機(jī)系列。該產(chǎn)品不但能記錄打斷試樣的沖擊吸收功，同時(shí)記錄沖斷過(guò)程中試樣的力—位移曲線。該曲線可以用于分析試樣在動(dòng)載荷作用下的斷裂過(guò)程。
但作為一完整動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)機(jī)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。還需具有如下功能①測(cè)試材料在各種加載速度下的斷裂行為；②測(cè)試材料的抗斷能力隨溫度變化的規(guī)律；③測(cè)試試樣斷口形貌特征隨溫度變化的規(guī)律；④測(cè)定材料在特定的條件下，如一定的加載速度、服役溫度的動(dòng)態(tài)斷裂韌度及其變化規(guī)律；⑤具備符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)檢定系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種全新的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)能自動(dòng)完成對(duì)試驗(yàn)試樣在特定加載速度和特定的試驗(yàn)溫度下的動(dòng)態(tài)加載工作，紀(jì)錄試樣在特定條件下(加載速度、試驗(yàn)溫度)的沖擊吸收功、裂紋起裂能、裂紋擴(kuò)展能、斷裂過(guò)程的力—位移曲線、力、能量等特征值；纖維斷面率、裂紋長(zhǎng)度、側(cè)膨脹值、斷口形貌；動(dòng)態(tài)斷裂韌度及其隨溫度或速度的變化規(guī)律，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)完成試驗(yàn)機(jī)檢定、自動(dòng)控制試驗(yàn)溫度，任意選取加載速度、自動(dòng)完成全套的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析功能。
基于上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)解決方案來(lái)完成。
本發(fā)明的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)、動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元、溫度控制單元、自動(dòng)檢定單元和數(shù)據(jù)處理單元；其中，動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)連接有動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元以及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元，同時(shí)還與溫度控制單元和自動(dòng)檢定單元相連；動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元和溫度控制單元同時(shí)與數(shù)據(jù)處理單元相連，從動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元以及溫度控制單元采集的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元并通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)處理從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果。
動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)是在主機(jī)架的上部安裝有主軸，其上設(shè)置有自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)，在主軸上裝配有擺錘，后部配有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，主機(jī)架的下方設(shè)置有鉗口用來(lái)支持試樣；自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)設(shè)置有掛擺掛鉤用來(lái)掛住擺錘，自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下改變掛擺的角度。
動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元的圖像分析處理單元對(duì)圖像采集單元和顯微鏡所采集試樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并將分析數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理單元。
動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元通過(guò)同步觸發(fā)器并由旋轉(zhuǎn)編碼器和動(dòng)態(tài)載荷傳感器將動(dòng)態(tài)載荷等數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)采集卡，然后送入數(shù)據(jù)處理單元。
溫度控制單元通過(guò)電控單元控制高低溫箱的溫度，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸單元將試樣的溫度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元。
自動(dòng)檢定單元通過(guò)若干個(gè)檢定單元對(duì)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢定；其中，通過(guò)檢定單元測(cè)量擺錘的擺動(dòng)周期，通過(guò)檢定單元實(shí)現(xiàn)能量的逐點(diǎn)標(biāo)定，通過(guò)檢定單元檢測(cè)加載機(jī)構(gòu)的能量損失。
數(shù)據(jù)處理單元包括有若干個(gè)數(shù)據(jù)輸入信號(hào)以及若干個(gè)數(shù)據(jù)處理單元，若干個(gè)數(shù)據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)入其對(duì)應(yīng)的若干個(gè)數(shù)據(jù)處理單元并完成在動(dòng)態(tài)載荷下試樣的力學(xué)性能分析；其中，數(shù)據(jù)處理單元將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)1a輸入沖擊功處理單元；將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)2a輸入標(biāo)度變換單元；將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)3a輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元；將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)4a輸入數(shù)據(jù)擬合單元；將信號(hào)4a與信號(hào)5a同時(shí)輸入曲線積分單元；將信號(hào)4a、5a、6a及信號(hào)7a輸入曲線繪制單元；動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)分析計(jì)算單元通過(guò)以上各數(shù)據(jù)處理單元的處理，計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)數(shù)據(jù)。
本發(fā)明對(duì)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試樣實(shí)施動(dòng)態(tài)加載，由動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元采集樣品的動(dòng)態(tài)力、時(shí)間等信號(hào)，由數(shù)據(jù)處理單元完成數(shù)據(jù)處理；利用動(dòng)態(tài)圖像采集單元采集斷后試樣的形貌信號(hào)，由數(shù)據(jù)處理單元完成數(shù)據(jù)處理及最后的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)性能分析，其結(jié)果準(zhǔn)確完整。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
附

圖1為動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)連接示意圖。
附圖2為本發(fā)明的動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3為本發(fā)明的自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖4為本發(fā)明的動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元的結(jié)構(gòu)連接示意圖。
附圖5為本發(fā)明動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元的結(jié)構(gòu)連接示意圖。
附圖6為本發(fā)明溫度控制單元的結(jié)構(gòu)連接示意圖。
附圖7為本發(fā)明自動(dòng)檢定單元的結(jié)構(gòu)連接示意圖。
附圖8為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理單元的結(jié)構(gòu)連接示意圖。
附圖9為本發(fā)明的試驗(yàn)沖擊經(jīng)典力—位移曲線。
附圖10為本發(fā)明試驗(yàn)的不同溫度沖擊試驗(yàn)力—位移曲線。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1的結(jié)構(gòu)連接示意圖，本發(fā)明包括了動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)1、動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元2、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元3、溫度控制單元4、自動(dòng)檢定單元5和數(shù)據(jù)處理單元6。以動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)1為主體的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)連接有動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元2以及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元3，這兩個(gè)單元所采集到的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元6。在動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)1上同時(shí)還連接有溫度控制單元4和自動(dòng)檢定單元5，溫度控制單元4可對(duì)試驗(yàn)試樣進(jìn)行溫度控制，并進(jìn)行保溫，同時(shí)將試樣的溫度傳輸給數(shù)據(jù)處理單元6。自動(dòng)檢定單元5對(duì)動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)檢定。通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元6進(jìn)行各種信號(hào)的數(shù)據(jù)處理，完成試樣的實(shí)驗(yàn)和分析。
參照?qǐng)D2和圖3，動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)是在主機(jī)架1.1的上方設(shè)置有自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)1.2，主軸1.3上裝配有擺錘1.4，在主機(jī)架1.1的下方設(shè)置有鉗口1.6用來(lái)支持試樣1.7；自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)1.2上設(shè)置有掛擺掛鉤1.8，用來(lái)掛住擺錘1.4，掛擺機(jī)構(gòu)1.2與驅(qū)動(dòng)電機(jī)1.5連接，并在電機(jī)1.5的作用下改變掛擺的角度α，達(dá)到改變沖擊速度的目的。在工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1.5將擺錘1.4舉起，固定在掛擺掛鉤1.8鎖定的位置，試樣1.7被放置在鉗口1.6上，釋放擺錘1.4，擺錘以設(shè)定的速度沖斷試驗(yàn)試樣1.7，從而完成對(duì)試驗(yàn)試樣1.7的動(dòng)態(tài)加載。擺錘1.4的速度用以下公式進(jìn)行計(jì)算
v0=2gl(1-cosα)]]>g-自由落體加速度；l-擺錘的打擊中心長(zhǎng)度；α-掛擺機(jī)構(gòu)的預(yù)仰角。電機(jī)1.5驅(qū)動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)1.2，改變其預(yù)仰角α，從而改變擺錘1.4的初速度。
參照?qǐng)D4，動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元2包括有圖像采集單元2.1、試樣1.7、顯微鏡2.2和圖像分析處理單元2.3；CCD圖像采集單元2.1及體式顯微鏡2.2共同完成對(duì)試驗(yàn)試樣的形貌采集，圖像分析處理單元2.3對(duì)試驗(yàn)試樣斷口的斷面纖維率、側(cè)膨脹值及裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行分析處理，最后得出用戶所要求的結(jié)果。
參照?qǐng)D5，所說(shuō)的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元3包括旋轉(zhuǎn)編碼器3.1、動(dòng)態(tài)載荷傳感器3.2、同步觸發(fā)器3.3和數(shù)據(jù)采集卡3.4；通過(guò)同步觸發(fā)器3.3的同步工作，由旋轉(zhuǎn)編碼器3.1和動(dòng)態(tài)載荷傳感器3.2同時(shí)將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)采集卡3.4，然后將采集的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理單元6，完成對(duì)沖擊試樣斷裂過(guò)程的力—位移及能量紀(jì)錄。
參照?qǐng)D6，所說(shuō)的溫度控制單元4包括電控單元4.1、高低溫箱4.2、數(shù)據(jù)傳輸單元4.3。電控單元4.1用來(lái)控制高低溫控箱4.2的溫度，使其能在-100℃～+1000℃溫度范圍內(nèi)調(diào)整，當(dāng)設(shè)定在一定溫度時(shí)，可在此溫度下進(jìn)行保溫，其技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)的國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，還可進(jìn)行升溫、降溫、恒溫控制。再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸單元4.3將試驗(yàn)試樣試驗(yàn)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元6，參與相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。
參照?qǐng)D7，所說(shuō)的自動(dòng)檢定單元5通過(guò)自動(dòng)控制單元5.1、根據(jù)對(duì)動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)的沖擊常數(shù)，如預(yù)仰角、空氣阻力摩擦力、擺動(dòng)周期、打擊中心等重要技術(shù)指標(biāo)在若干個(gè)鑒定單元中進(jìn)行自動(dòng)檢定，并根據(jù)ISO 148、ASTM E23、GB/T 3808-2002等的要求檢定動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。自動(dòng)檢定單元5通過(guò)檢定單元5.1，以單擺結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，根據(jù)公式l1＝gt2/4π2測(cè)量擺錘1.4的擺動(dòng)周期；通過(guò)檢定單元5.2依據(jù)ASTM E23、ISO 148的規(guī)定，利用擺錘揚(yáng)起的角度及公式AV＝M(cosβ-cosα)實(shí)現(xiàn)能量的逐點(diǎn)標(biāo)定；通過(guò)檢定單元5.3，依據(jù)ASTM E23、ISO 148的規(guī)定及GB/T 3808-2002的9.4.1款項(xiàng)，檢測(cè)加載機(jī)構(gòu)1的能量損失等技術(shù)指標(biāo)。
參照?qǐng)D8，所說(shuō)的數(shù)據(jù)處理單元6包括有若干個(gè)數(shù)據(jù)輸入信號(hào)以及若干個(gè)數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元，其若干個(gè)數(shù)據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)入其對(duì)應(yīng)的若干個(gè)數(shù)據(jù)處理單元并完成在動(dòng)態(tài)載荷下試樣的力學(xué)性能分析。這若干個(gè)數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元是沖擊吸收功計(jì)算單元6.1、標(biāo)度變換計(jì)算單元6.2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算單元6.3、數(shù)據(jù)擬合計(jì)算單元6.4、曲線積分計(jì)算單元6.5、曲線繪制計(jì)算單元6.6、動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)分析計(jì)算單元6.7、輸出設(shè)備計(jì)算單元6.8等數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元，由這些數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元完成在特定溫度下、特定加載速度下力—位移曲線繪制、特征值確定、能量分解、斷面纖維率、側(cè)膨脹值、動(dòng)態(tài)斷裂韌度確定及各種特征值隨溫度或加載速度的變化規(guī)律的計(jì)算和分析。
數(shù)據(jù)處理單元6將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡3.4的角度信號(hào)1a輸入沖擊功處理單元6.1，然后根據(jù)沖擊吸收功計(jì)算公式AV＝M(cosβ-cosα)來(lái)計(jì)算沖擊吸收功；將來(lái)自于動(dòng)態(tài)載荷傳感器3.2的信號(hào)2a通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡3.4輸入標(biāo)度變換單元6.2，將其轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)力值信號(hào)5a；將來(lái)自于同步觸發(fā)器數(shù)據(jù)采集卡3.4的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)信號(hào)3a輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元6.3，以文件格式實(shí)時(shí)存入指定文件；將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡(3.4)的原始記錄曲線信號(hào)4a輸入數(shù)據(jù)擬合單元6.4，采用濾波技術(shù)去除干擾和噪聲，利用最小二乘法，將原始數(shù)據(jù)處理成圖形數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理單元6將實(shí)時(shí)力值信號(hào)5a與時(shí)間信號(hào)4a同時(shí)輸入曲線積分單元6.5，曲線積分單元根據(jù)W＝FS公式對(duì)載荷—位移曲線進(jìn)行積分，求出沖擊吸收功信號(hào)6a；數(shù)據(jù)處理單元6將實(shí)時(shí)力值信號(hào)5a、時(shí)間信號(hào)4a、沖擊吸收功信號(hào)6a及位移信號(hào)7a輸入曲線繪制單元6.6，由曲線繪制單元6.6繪制載荷—時(shí)間—能量曲線、載荷—位移—能量曲線；動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)分析計(jì)算單元6.7通過(guò)前面對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)斷裂韌度等力學(xué)性能數(shù)值。
實(shí)施例首先根據(jù)要求對(duì)系統(tǒng)設(shè)置加載速度，由自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)1.2中的電機(jī)1.5改變自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)1.2的掛擺角度α，根據(jù)設(shè)計(jì)要求在溫度控制單元4上的電控部份4.1給高低溫控箱4.2設(shè)置試驗(yàn)所需要的溫度，實(shí)施升降溫度及保溫，并在試驗(yàn)中由數(shù)據(jù)傳輸單元4.3傳輸試樣1.7的溫度數(shù)據(jù)。其次由動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)1將擺錘1.4置入自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)1.2，使擺錘1.4具有一定的勢(shì)能，接著將試樣1.7放在動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)1的鉗口1.6上，釋放擺錘1.4，擺錘以一定的初速度沖擊試樣1.7，同時(shí)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元3的同步觸發(fā)器3.3控制信號(hào)的采集，旋轉(zhuǎn)編碼器3.1檢測(cè)打擊試樣前后的勢(shì)能差及擺錘瞬間線速度，動(dòng)態(tài)載荷傳感器3.2、數(shù)據(jù)采集卡3.4對(duì)試樣1.7上受到的高速加載力進(jìn)行高速采樣，記錄試樣整個(gè)斷裂過(guò)程中所受的力信號(hào)、能量信號(hào)、時(shí)間信號(hào)、位移信號(hào)等。試樣的斷口形貌由動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元2的CCD圖像采集單元2.1和體式顯微鏡2.2采集，圖像分析處理單元2.3確定其斷口的斷面纖維率、側(cè)膨脹值及裂紋長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)處理單元6接收到各單元所采集到的數(shù)據(jù)并通過(guò)沖擊吸收功計(jì)算單元6.1、標(biāo)度變換計(jì)算單元6.2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算單元6.3、數(shù)據(jù)擬合計(jì)算單元6.4、曲線積分計(jì)算單元6.5、曲線繪制計(jì)算單元6.6、動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)分析計(jì)算單元6.7、輸出設(shè)備計(jì)算單元6.8等數(shù)據(jù)處理計(jì)算單元完成在特定溫度下、特定加載速度下力—位移曲線繪制、特征值確定、能量分解、斷面纖維率、側(cè)膨脹值、動(dòng)態(tài)斷裂韌度確定及各種特征值隨溫度或加載速度的變化規(guī)律的計(jì)算和分析。
以下是本發(fā)明以某船板鋼進(jìn)行的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果。
試驗(yàn)設(shè)備為本發(fā)明的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。
試樣尺寸為10×10×55mm3標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎曲試樣，將V型夏比沖擊試樣按國(guó)標(biāo)加工，動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)式樣裂紋比a/W為0.45。
A.根據(jù)要求設(shè)定動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)機(jī)加載初速度為5.3m/s，速度設(shè)置機(jī)構(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)的預(yù)仰角，使其停止在預(yù)仰角α為135度處，則V0＝[2gl(1-cos135°)]0.5＝5.33m/s。
B.自動(dòng)檢定部份根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 3803-2002測(cè)定該試驗(yàn)機(jī)的預(yù)仰角為134.72°；空氣阻力和摩擦力為2.1J(滿量程的0.42％)；回零差0.3J。打擊中心為849.6mm。以上工作均由自動(dòng)檢定部份中的自動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)合相應(yīng)的檢定單元共同完成。結(jié)果滿足國(guó)標(biāo)的要求。
C.由溫度控制系統(tǒng)將高低溫箱降溫到試驗(yàn)設(shè)計(jì)所需要的溫度，再將動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試樣放入高低溫箱，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，保溫一定的時(shí)間。再由機(jī)械手將試樣放入動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)的鉗口之上，同時(shí)將試樣的溫度信號(hào)傳遞給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
D.啟動(dòng)動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)，自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)釋放擺錘，擺錘以5.3m/s的初速度沖斷動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試樣。
E.動(dòng)態(tài)信號(hào)采集在擺錘沖擊斷動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試樣的同時(shí)，動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元的旋轉(zhuǎn)編碼器、位移傳感器、動(dòng)態(tài)載荷傳感器、數(shù)據(jù)采集卡受同步觸發(fā)器指令高速采集各相關(guān)信號(hào)并發(fā)送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
F.動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元借助于圖像采單元及體式顯微鏡共同完成對(duì)斷后樣品的形貌采集，圖像分析處理單元根據(jù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)樣品的形貌進(jìn)行處理。
G.數(shù)據(jù)處理單元收集到的所有的有效信號(hào)經(jīng)過(guò)分類(lèi)比較，并由各對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理單元完成分析、數(shù)據(jù)處理、匯總并得出結(jié)論或結(jié)果。
試驗(yàn)結(jié)果及分析1)v形夏比儀器化沖擊試驗(yàn)a.圖9為v形夏比儀器化沖擊經(jīng)典力—位移曲線b.圖10為在不同溫度下v形夏比儀器化沖擊試驗(yàn)力—位移曲線變化趨勢(shì)，試驗(yàn)溫度由-40～-84℃，曲線由全韌性向全脆性轉(zhuǎn)變。
2)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)a.不同溫度下預(yù)裂紋動(dòng)態(tài)斷裂韌度試驗(yàn)力—位移曲線變化，試驗(yàn)溫度由-40～-84℃，曲線由全韌性向全脆性轉(zhuǎn)變。
表1為試驗(yàn)斷口裂紋的試驗(yàn)結(jié)果表1

表2為動(dòng)態(tài)斷裂韌度試驗(yàn)結(jié)果表2

以上為某船板鋼全套動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)動(dòng)態(tài)斷裂韌度的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可非常準(zhǔn)確得出該材料的安全工作溫度為-60℃以上，在-60℃以下為危險(xiǎn)工作溫度段。由于大型鋼結(jié)構(gòu)件中不可避免的存在各種缺陷，以微裂紋尤為重要。因此在-60℃以下工作如有碰撞或震動(dòng)材料就可能由于缺陷的存在而引發(fā)裂紋的生成，擴(kuò)展和斷裂。
本發(fā)明通過(guò)自動(dòng)完成全套的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析功能，其結(jié)果準(zhǔn)確完整。為金屬和其他材料在各種加載速度下的斷裂行為、材料的抗斷能力隨溫度變化的規(guī)律、材料斷裂行為隨溫度變化的規(guī)律及其動(dòng)態(tài)斷裂韌度等力學(xué)性能的研究分析提供了依據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)(1)、動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元(2)、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元(3)、溫度控制單元(4)、自動(dòng)檢定單元(5)和數(shù)據(jù)處理單元(6)，；其中，動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)(1)連接有動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元(2)以及動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元(3)，同時(shí)還與溫度控制單元(4)和自動(dòng)檢定單元(5)相連，動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元(2)、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元(3)和溫度控制單元(4)同時(shí)與數(shù)據(jù)處理單元(6)相連，從動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元(2)和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元(3)以及溫度控制單元(4)采集的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)入數(shù)據(jù)處理單元(6)并通過(guò)數(shù)據(jù)處理單元(6)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理從而得出試驗(yàn)結(jié)果和分析結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)(1)是在主機(jī)架(1.1)的上部安裝有主軸(1.3)，其上設(shè)置有自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)(1.2)，在主軸(1.3)上裝配有擺錘(1.4)，后部配有驅(qū)動(dòng)電機(jī)(1.5)，主機(jī)架(1.1)的下方設(shè)置有鉗口(1.6)用來(lái)支持試樣(1.7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)(1.2)設(shè)置有掛擺掛鉤(1.8)，用來(lái)掛住擺錘(1.4)，自動(dòng)掛擺機(jī)構(gòu)(1.2)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)(1.5)的作用下改變掛擺的角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元(2)包括有圖像采集單元(2.1)、試樣(1.7)、顯微鏡(2.2)和圖像分析處理單元(2.3)；圖像分析處理單元(2.3)對(duì)圖像采集單元(2.1)和顯微鏡(2.2)所采集試樣(1.7)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并將分析數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)處理單元(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元(3)包括旋轉(zhuǎn)編碼器(3.1)、動(dòng)態(tài)載荷傳感器(3.2)、同步觸發(fā)器(3.3)和數(shù)據(jù)采集卡(3.4)，通過(guò)同步觸發(fā)器(3.3)并由旋轉(zhuǎn)編碼器(3.1)和動(dòng)態(tài)載荷傳感器(3.2)將動(dòng)態(tài)載荷等數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)采集卡(3.4)，然后送入數(shù)據(jù)處理單元(6)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的溫度控制單元(4)包括電控單元(4.1)、高低溫箱(4.2)、數(shù)據(jù)傳輸單元(4.3)，通過(guò)電控單元(4.1)控制高低溫箱(4.2)的溫度，再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)傳輸單元(4.3)將試樣的溫度數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元(6)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的自動(dòng)檢定單元(5)通過(guò)若干個(gè)檢定單元對(duì)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)檢定；其中，通過(guò)檢定單元(5.1)測(cè)量擺錘(1.4)的擺動(dòng)周期，通過(guò)檢定單元(5.2)實(shí)現(xiàn)能量的逐點(diǎn)標(biāo)定，通過(guò)檢定單元(5.3)檢測(cè)加載機(jī)構(gòu)(1)的能量損失。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或4或5或6任一權(quán)利要求所述的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的數(shù)據(jù)處理單元(6)包括有若干個(gè)數(shù)據(jù)輸入信號(hào)以及若干個(gè)數(shù)據(jù)處理單元，若干個(gè)數(shù)據(jù)輸入信號(hào)進(jìn)入其對(duì)應(yīng)的若干個(gè)數(shù)據(jù)處理單元并完成在動(dòng)態(tài)載荷下試樣(1.7)的力學(xué)性能分析；其中，數(shù)據(jù)處理單元(6)將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡(3.4)的信號(hào)1a輸入沖擊功處理單元(6.1)；將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡(3.4)的信號(hào)2a輸入標(biāo)度變換單元(6.2)；將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡(3.4)的信號(hào)3a輸入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元(6.3)；將來(lái)自于數(shù)據(jù)采集卡(3.4)的信號(hào)4a輸入數(shù)據(jù)擬合單元(6.4)；將信號(hào)4a信號(hào)5a同時(shí)輸入曲線積分單元(6.5)；將信號(hào)4a、5a、6a及信號(hào)7a輸入曲線繪制單元(6.6)；動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)分析計(jì)算單元(6.7)通過(guò)以上各數(shù)據(jù)處理單元的處理，計(jì)算材料的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)數(shù)據(jù)并通過(guò)輸出設(shè)備單元(6.8)輸出處理結(jié)果。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于所說(shuō)的溫度控制單元(4)的控制范圍可在-100℃～+1000℃之間調(diào)整并可進(jìn)行保溫。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)涉及材料力學(xué)分析測(cè)試領(lǐng)域，所述的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)加載機(jī)構(gòu)1、動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元2、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元3、溫度控制單元4、自動(dòng)檢定單元5以及數(shù)據(jù)處理單元6等。本發(fā)明利用動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)試樣實(shí)施動(dòng)態(tài)加載，利用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集單元及動(dòng)態(tài)斷口圖像采集單元采集斷裂過(guò)程力、位移及斷后試樣的形貌信號(hào)等，由數(shù)據(jù)處理單元完成數(shù)據(jù)處理及最后的動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)性能分析，其結(jié)果準(zhǔn)確完整，為金屬和其他材料在各種加載速度下的斷裂行為、材料的抗斷能力隨溫度變化的規(guī)律、材料斷裂行為隨溫度變化的規(guī)律及其動(dòng)態(tài)斷裂韌度等力學(xué)性能的研究分析提供了依據(jù)。
文檔編號(hào)G01N3/30GK1815168SQ20061000751
公開(kāi)日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2006年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月14日
發(fā)明者張莊, 洪剛, 任立志, 任志遠(yuǎn), 張敬敏, 王春華, 戶天柱 申請(qǐng)人:鋼鐵研究總院