CN115683901A - 一种疲劳试验裂纹动态测量方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种疲劳试验裂纹动态测量方法和装置，涉及材料疲劳试验技术领域，包括视觉检测模块、旋转平台、拉伸模块、中央处理模块；载荷模块固定试验工件的工作位置和位姿，并对试验工件施加循环试验应力，视觉检测模块拍摄每个旋转平台角度下的裂纹状态图像，并保存在计算机上，中央处理模块计算试验工件在施加载荷全过程数据，分析试验工件所属材料在各个试验载荷循环次数下的每个角度裂纹扩展速度数据、裂纹扩展方向数据、以及材料断裂在不同位置角度的裂纹深度数据。本发明提出一种能完成材料疲劳试验过程裂纹的实时、动态、完整的自动检测、自动记录和可视化展现的技术方案，对研究材料疲劳失效原理提供更准确、更便捷、信息维度更丰富的分析方法。
Description
技术领域
本发明是一种疲劳试验裂纹动态测量方法和装置，涉及材料疲劳试验技术领域，特别是涉及测试评估PE材料的疲劳寿命及其疲劳失效特征的一种全新技术方法和装置。
背景技术
聚乙烯(PE)管具有卓越的耐腐蚀、使用寿命长和环保等优点，在城市燃气和给水管道中得到了广泛应用。PE压力管道的设计寿命一般为50年。目前国内早期埋地PE管道的使用已经超过40年，正是失效的潜在高峰期。发生失效事故可能会对基础设施造成严重破坏，甚至危害人身安全，故对PE管道进行准确寿命评估具有重要的现实意义。
PE管材在长期服役下失效的主要原因是管材的慢速裂纹扩展(SCG)，针对PE管材因SCG失效的传统寿命评估方法是管道内压试验法。但由于新型的PE化学结构的改善，PE管材的耐SCG性能得到了显著的提高，使用内压试验法进行寿命评估试验周期至少需要1年并且成本高，不能满足现实需要，因此迫切需要新的寿命预测方法。这两年国内有学者研究了一种能快速评估PE管材寿命的预测新方法—循环载荷裂纹圆棒(CRB)法。该方法仿照金属疲劳性能试验原理，对PE试验材料的带有缺口的标准样品循环施加拉（压）力，通过自动控制***调节交变试验载荷的大小和频率，使样品缺口作为裂纹源扩展，直至样品断裂的加载次数即可确定材料的疲劳寿命指标。疲劳试验寿命曲线，即“ S—N”曲线，是反映材料的疲劳强度与疲劳寿命对应关系的曲线。绘制“ S—N”曲线时，以试验力或试验应力S为纵坐标，以疲劳寿命N（载荷循环加载次数）为横坐标（对数坐标）。
然而，该方法与传统的疲劳试验方法一样，虽然可以测量材料的疲劳性能指标，但是并没有记录疲劳试验过程材料在循环加载应力下裂纹扩展行为，例如材料在各个角度裂纹扩展的速度、材料断裂时在不同角度的裂纹深度等等，而这些信息对研究材料的疲劳失效原理至关重要。
疲劳试验是确定材料疲劳性能指标主要方法。疲劳是承受交变拉伸或弯曲应力的材料或结构的主要失效形式，故而材料或结构的疲劳强度和疲劳寿命是其强度和可靠性设计的主要依据之一。
除传统测量材料的疲劳性能指标的疲劳试验方法外，如何从通过新的技术和方法来观察、研究、评估材料或结构的疲劳强度，进而研究材料的疲劳失效原理，从而评估材料疲劳寿命和材料可靠性，是材料研究领域极具挑战性的课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种疲劳试验裂纹动态测量方法和装置，在对被测材料进行疲劳寿命试验的过程中，通过机器视觉方式对被测材料进行多角度、多时段的材料变化过程图像记录，获取被测材料在循环应力加载过程中的裂纹动态变化过程完整信息，结合行规材料疲劳寿命试验方式，得出试验材料裂纹扩展行为的变化规律，例如材料在各个角度裂纹扩展的速度、材料断裂时在不同角度的裂纹深度等等，对研究材料的疲劳失效原理提供更准确、更便捷、信息维度更丰富的分析方法。
本发明的技术方案是：一种疲劳试验裂纹动态测量方法，包括以下步骤：
步骤1：选择带缺口或裂纹的试验工件；
步骤2：试验工件装载在载荷模块上并固定位姿，装置启动；
步骤3：载荷模块对试验工件施加试验应力，视觉检测模块根据在控制软件已设置的拍摄参数，在设定的每个旋转平台角度下拍摄裂纹状态图像，并保存在计算机上；
步骤4：每隔设定间隔时间T1，载荷模块对试验工件施加载荷应力F一次；
步骤5：每隔设定间隔时间T2，旋转平台带动视觉检测模块围绕试验工件旋转角度α；
步骤6：每隔设定间隔时间T3，视觉检测模块拍摄视场范围内的试验工件工作面的缺口裂纹状态图片，并记录存储；
步骤7：循环重复步骤4，直至试验工件完全断裂；
循环重复步骤5，直至试验工件完全断裂；
循环重复步骤6，直至试验工件完全断裂；
步骤8：中央处理模块将存储的全过程图像数据计算、分析试验工件材料在各个试验载荷循环次数下的每个角度裂纹扩展速度数据、裂纹扩展方向数据、以及材料断裂在不同位置角度的裂纹深度数据。
进一步的，所述T1、T2、T3设为相同或不相同的间隔时间。
进一步的，所述旋转角度α设为若干个不相同的角度数值，视觉检测模块的每个拍摄旋转角度α不相同。
进一步的，所述步骤8还包括中央处理模块绘制“ L—N”曲线；曲线横坐标为载荷循环加载次数N，即疲劳寿命参数；曲线纵坐标L为各个角度的裂纹长度值，或各个角度的裂纹长度平均值。
进一步的，所述步骤8还包括中央处理模块将保存在计算机的裂纹图像制作成试验材料裂纹动态扩张过程轨迹影像视频。
本发明还包括一种疲劳试验裂纹动态测量装置，除上述疲劳试验裂纹动态测量方法外，包括视觉检测模块、旋转平台、载荷模块、中央处理模块；载荷模块固定试验工件的工作位置和位姿，并对试验工件施加试验应力；视觉检测模块水平安装在旋转平台上，视觉检测模块由相机、光源组成，相机和光源位于试验工件相对两侧；旋转平台控制视觉检测模块的运动轨迹，旋转平台带动视觉检测模块围绕试验工件转动；载荷模块对试验工件施加测试载荷应力，使试验工件上产生应力变化；中央处理模块为控制装置运动、存储和分析数据的计算机，中央处理模块记录视觉检测模块在应力试验全过程中所采集的试验工件图片，并对试验工件上的裂纹图像变化状态进行计算处理分析。
进一步的，所述视觉检测模块的相机视场中心对准试验工件裂纹源中心位置，且该中心位置与试验工件摆放位姿的垂直中心线相交于一点；视觉检测模块记录围绕试验工件旋转每个角度所拍摄的试验工件裂纹处的图片。
进一步的，所述旋转平台设有伺服步进电机，旋转平台水平的旋转运动角度、位置和速度由伺服步进电机精确控制。
进一步的，所述载荷模块对试验工件施加应力方式为拉伸或压缩。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
本发明提出一种能完成材料疲劳试验过程裂纹的实时、动态、完整的自动检测、自动记录和可视化展现的技术方案。该方案使试验材料的疲劳裂纹在各个角度、各个位置的变化扩展情况都能实现全自动检测、记录和可视化展现，对于耗时很长的疲劳试验能够获得全部的、完整的试验数据信息。
本发明方案，既能保证材料疲劳寿命试验结果的准确性，同时能记录材料疲劳寿命试验裂纹扩展过程，为材料研究提供有力的手段。该方案还能推广应用到其它材料试验，如各种材料的拉伸（压缩）试验等，可在短时间内通过全自动、实时、动态的方式获得更多的材料动态性能和试验过程参数。
本发明应用机器视觉测量原理，发明了一种在疲劳试验中测量记录裂纹动态扩展的方法和装置，对于疲劳试验技术的发展具有重要意义，填补了该领域的空白。本方法的***精度高、可靠性好、可操作性强和自动化程度高。
附图说明
图1为本发明的装置结构图；
图2为发明的流程图；
图3为试验样品及裂纹位置举例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1，一种疲劳试验裂纹动态测量装置，如图1所示，包括视觉检测模块1、旋转平台2、载荷模块3、中央处理模块4；载荷模块固定试验工件5的工作位置和位姿，并对试验工件施加试验应力；视觉检测模块水平安装在旋转平台上，视觉检测模块由相机11、光源12组成，相机和光源位于试验工件相对两侧；旋转平台控制视觉检测模块的运动轨迹，旋转平台带动视觉检测模块围绕试验工件转动；载荷模块对试验工件施加测试载荷应力，使试验工件上产生应力变化；中央处理模块为控制装置运动、存储和分析数据的计算机，中央处理模块记录视觉检测模块在应力试验全过程中所采集的试验工件图片，并对试验工件上的裂纹图像变化状态进行计算处理分析。
进一步的，所述视觉检测模块的相机视场中心对准试验工件裂纹源中心位置，且该中心位置与试验工件摆放位姿的垂直中心线相交于一点；视觉检测模块记录围绕试验工件旋转每个角度所拍摄的试验工件裂纹处的图片。
在视觉检测模块开始检测工作前，先打开相机进行对裂纹位置进行定位，使其位于两个标定框之间。
进一步的，所述旋转平台设有伺服步进电机，旋转平台水平的旋转运动角度、位置和速度由伺服步进电机精确控制。
在伺服步进电机开始工作前，中央处理模块先设置拍摄角度分度和拍照间隔时间，并将拍摄角度分度参数传输给伺服步进电机，将拍照间隔时间参数传输给视觉检测模块。
伺服步进电机还包括控制旋转平台复位。
进一步的，所述载荷模对试验工件施加应力方式为拉伸或压缩。
图3为试验工件及裂纹位置举例，图中裂纹位置31为试验工件裂纹位置举例。
实施例2，一种疲劳试验裂纹动态测量方法，除实施例1的疲劳试验裂纹动态测量装置外，如图2所示，还包括以下步骤：
步骤1：选择带缺口或裂纹的试验工件；
步骤2：试验工件装载在载荷模块上并固定位姿，装置启动；
步骤3：载荷模块对试验工件施加试验应力，视觉检测模块根据在控制软件已设置的拍摄参数，在设定的每个旋转平台角度下拍摄裂纹状态图像，并保存在计算机上；
步骤4：每隔设定间隔时间T1，载荷模块对试验工件施加载荷应力F一次；
步骤5：每隔设定间隔时间T2，旋转平台带动视觉检测模块围绕试验工件旋转角度α；
步骤6：每隔设定间隔时间T3，视觉检测模块拍摄视场范围内的试验工件工作面的缺口裂纹状态图片，并记录存储；
步骤7：循环重复步骤4，直至试验工件完全断裂；
循环重复步骤5，直至试验工件完全断裂；
循环重复步骤6，直至试验工件完全断裂；
步骤8：中央处理模块将存储的全过程图像数据计算、分析试验工件材料在各个试验载荷循环次数下的每个角度裂纹扩展速度数据、裂纹扩展方向数据、以及材料断裂在不同位置角度的裂纹深度数据。
进一步的，所述T1、T2、T3设为相同或不相同的间隔时间。
本发明的材料疲劳试验装置中，载荷模块按设定的间隔时间T1对试验工件施加应力一次F，旋转平台按设定的间隔时间T2带动视觉检测模块围绕试验工件旋转一个设定角度α，旋转角度根据设定的每个圆周旋转次数N1来均分或不均分，旋转的圆周次数N2根据试验材料特性设为一圈或多圈，视觉检测模块按设定的间隔时间T3拍摄视场范围内试验工件工作面的缺口裂纹状态图像，拍摄次数N3设为等于或每个圆周旋转次数N1。按本方式循环重复，直至试验工件完全断裂。
进一步的，所述旋转角度α设为若干个不相同的角度数值，视觉检测模块的每个拍摄旋转角度α不相同。
进一步的，所述步骤8还包括中央处理模块绘制“ L—N”曲线；曲线横坐标为载荷循环加载次数N，即疲劳寿命参数；曲线纵坐标L为各个角度的裂纹长度值，或各个角度的裂纹长度平均值。
中央处理模块还包括统计数据库。在视觉检测模块开始检测工作前，先连接数据库，创建数据表，在检测工作中采集裂纹数据、计算裂纹位置、裂纹深度、分析裂纹位置深度与驱动模块旋转角度关系曲线、制作试验样品疲劳测试“L—N”曲线、存储裂纹深度数据、裂纹位置深度与驱动模块旋转角度关系数据。
进一步的，所述步骤8还包括中央处理模块将保存在计算机的裂纹图像制作成试验材料裂纹动态扩张过程轨迹影像视频。视频还包括裂纹动态扩展过程中各裂纹轨迹点与疲劳测试“L—N”曲线中各数据点对应动态关系图、裂纹动态扩张轨迹中各轨迹点的裂纹深度和裂纹角度对应数据。
材料疲劳试验是时间跨度很长的实验过程，而且属于材料极限应力范围内的试验过程，传统疲劳试验方法是通过测量材料的疲劳性能指标来评价材料性能，如常规疲劳试验寿命“ S—N”曲线（以试验力或试验应力S为纵坐标，以疲劳寿命N（载荷循环加载次数）为横坐标（对数坐标）），虽然是反映材料的疲劳强度与疲劳寿命对应关系的曲线，但是并没有记录疲劳试验过程材料在循环加载应力下裂纹扩展行为。比如：当应力载荷较小的时候，试验材料受单次应力产生的物理状态变化表现极微，即使循环多次重复施加相同等级的较小应力载荷，物理状态变化依然表现极微，根据疲劳性能指标评价所得结果为材料暂没变化。
此时，采用裂纹动态扩张轨迹影像视频,则可提供一种辅助分析各种试验材料的性能特性的方法，即使循环多次重复施加相同等级的较小应力载荷，已动态记录了材料裂纹的各种变化趋势，包括裂纹扩展过程中不均匀的裂纹深度的位置分布、不等速的裂纹扩展速度的位置分布等，比传统疲劳试验方法能更直观地展现试验材料的全面性能状态。
同时，评估材料疲劳试验是时间跨度很长的实验过程，有时甚至需要一年或以上，通过制作成试验材料裂纹动态扩张轨迹影像视频的方式，代替现实中人工无法在时间跨度很长的材料疲劳试验过程中的长时间直接观察材料试验获取最直接数据信息、且只能依靠传统疲劳试验方法（如通过样品断裂的加载次数来确定材料的疲劳寿命指标）进行有限次、抽检式的试验的现状。
本发明的工作原理：
将待检测的试验工件（如：PE材料棒）由载荷机构夹持并置于旋转平台的中心位置；旋转平台控制视觉检测模块的运动轨迹，带动视觉检测模块围绕试验工件转动。进行材料疲劳测试的方式为：先对试验工件设置缺口作为裂纹源（或选择带裂纹的试验工件），载荷模块对试验工件循环加载应力，使试验工件上产生应力变化，以此反复循环，直到所测量的试验工件受应力测试断裂。
旋转平台带动视觉检测模块围绕试验工件进行循环旋转，使视觉检测模块对试验工件各个角度、各个工作面、各个时间段的裂纹变化都能记录下来。
视觉检测模块利用机器视觉方式进行循环采集图像数据，记录试验工件材料在应力试验全过程的裂纹源变化情况，将所测量结果存入电脑数据库中。
中央处理模块通过图像处理计算拍摄的图像数据，分析试验材料各个角度的裂纹扩展速度（如，在哪些角度扩展速度比较快）、裂纹扩展方向数据、以及材料断裂在不同位置角度的裂纹深度数据，并将裂纹过程图像数据制作成材料裂纹的动态扩张影像视频；同时绘制“ L—N”曲线，验证裂纹扩展变化动态过程疲劳试验寿命曲线的关系。
这是一种全新的、能完成材料疲劳试验过程裂纹的实时、动态、完整的自动检测、自动记录和可视化展现的技术方案。
应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种疲劳试验裂纹动态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：选择带缺口或裂纹的试验工件；
步骤2：试验工件装载在载荷模块上并固定位姿，装置启动；
步骤3：载荷模块对试验工件施加试验应力，视觉检测模块根据在控制软件已设置的拍摄参数，在设定的每个旋转平台角度下拍摄裂纹状态图像，并保存在计算机上；
步骤4：每隔设定间隔时间T1，载荷模块对试验工件施加载荷应力F一次；
步骤5：每隔设定间隔时间T2，旋转平台带动视觉检测模块围绕试验工件旋转角度α；
步骤6：每隔设定间隔时间T3，视觉检测模块拍摄视场范围内的试验工件工作面的缺口裂纹状态图片，并记录存储；
步骤7：循环重复步骤4，直至试验工件完全断裂；
循环重复步骤5，直至试验工件完全断裂；
循环重复步骤6，直至试验工件完全断裂；
步骤8：中央处理模块将存储的全过程图像数据计算、分析试验工件材料在各个试验载荷循环次数下的每个角度裂纹扩展速度数据、裂纹扩展方向数据、以及材料断裂在不同位置角度的裂纹深度数据。
2.根据权利要求1所述的一种疲劳试验裂纹动态测量方法，其特征在于所述T1、T2、T3设为相同或不相同的间隔时间。
3.根据权利要求1所述的一种疲劳试验裂纹动态测量方法，其特征在于所述旋转角度α设为若干个不相同的角度数值，视觉检测模块的每个拍摄旋转角度α不相同。
4.根据权利要求1所述的一种疲劳试验裂纹动态测量方法，其特征在于所述步骤8还包括中央处理模块绘制“ L—N”曲线；曲线横坐标为载荷循环加载次数N，即疲劳寿命参数；曲线纵坐标L为各个角度的裂纹长度值，或各个角度的裂纹长度平均值。
5.根据权利要求1所述的一种疲劳试验裂纹动态测量方法，其特征在于所述步骤8还包括中央处理模块将保存在计算机的裂纹图像制作成试验材料裂纹动态扩张过程轨迹影像视频。
6.一种疲劳试验裂纹动态测量装置，包括上述权利要求1至5任一项所述的疲劳试验裂纹动态测量方法，其特征在于，包括视觉检测模块、旋转平台、载荷模块、中央处理模块；载荷模块固定试验工件的工作位置和位姿，并对试验工件施加试验应力；视觉检测模块水平安装在旋转平台上，视觉检测模块由相机、光源组成，相机和光源位于试验工件相对两侧；旋转平台控制视觉检测模块的运动轨迹，旋转平台带动视觉检测模块围绕试验工件转动；载荷模块对试验工件施加测试载荷应力，使试验工件上产生应力变化；中央处理模块为控制装置运动、存储和分析数据的计算机，中央处理模块记录视觉检测模块在应力试验全过程中所采集的试验工件图片，并对试验工件上的裂纹图像变化状态进行计算处理分析。
7.根据权利要求6所述的一种疲劳试验裂纹动态测量装置，其特征在于所述视觉检测模块的相机视场中心对准试验工件裂纹源中心位置，且该中心位置与试验工件摆放位姿的垂直中心线相交于一点；视觉检测模块记录围绕试验工件旋转每个角度所拍摄的试验工件裂纹处的图片。
8.根据权利要求6所述的一种疲劳试验裂纹动态测量装置，其特征在于所述旋转平台设有伺服步进电机，旋转平台水平的旋转运动角度、位置和速度由伺服步进电机精确控制。
9.根据权利要求6所述的一种疲劳试验裂纹动态测量装置，其特征在于所述载荷模块对试验工件施加应力方式为拉伸或压缩。
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