一種船體典型焊接結(jié)構(gòu)表面裂紋深度及形狀測(cè)量裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及裂紋檢測(cè)方法領(lǐng)域，具體涉及一種船體典型焊接結(jié)構(gòu)表面裂紋深度及 形狀的測(cè)量裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 疲勞和斷裂是金屬結(jié)構(gòu)中最普遍的損傷和失效形式之一，對(duì)于船舶等大型結(jié)構(gòu)在 長(zhǎng)時(shí)間承受波浪力、流力、風(fēng)力和作業(yè)時(shí)的動(dòng)力等交變載荷的作用下，其焊接過程中產(chǎn)生的 各種微觀和宏觀缺陷在應(yīng)力集中較嚴(yán)重的部位容易發(fā)展形成前緣形狀接近于半橢圓的表 面裂紋。而表面裂紋在持續(xù)的外在和的作用下會(huì)不斷發(fā)生擴(kuò)展而成為穿透裂紋。近代發(fā)展 起來(lái)的抗疲勞設(shè)計(jì)方法一一損傷容限設(shè)計(jì)和耐久性設(shè)計(jì)就是基于船體結(jié)構(gòu)具有大量的冗 余度，表面裂紋甚至穿透裂紋的出現(xiàn)并不意味著含裂紋區(qū)域破壞的原理。
[0003] 其中損傷容限設(shè)計(jì)是假定構(gòu)件中存在初始缺陷，應(yīng)用斷裂力學(xué)分析、疲勞裂紋擴(kuò) 展分析和試驗(yàn)驗(yàn)證等方法，證明在定期檢查肯定能發(fā)現(xiàn)之前，裂紋不會(huì)擴(kuò)展到足以引起結(jié) 構(gòu)破壞的臨界尺寸。耐久性設(shè)計(jì)首先定義疲勞破壞薄弱環(huán)節(jié)的初始狀態(tài)，再通過疲勞分析 或者疲勞裂紋擴(kuò)展行為分析預(yù)測(cè)在不同時(shí)刻損傷狀態(tài)的變化，確定其經(jīng)濟(jì)壽命，制定使用、 維修方案。斷裂力學(xué)方法處理工程問題是通過建立材料物理模型，按照彈性或塑性力學(xué)的 方法，研究含裂紋體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)，給出描述裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的應(yīng)力強(qiáng)度因子K，并 由此建立裂紋擴(kuò)展的臨界條件。其中，裂紋幾何尺寸是一個(gè)不可或缺的參數(shù)。可見裂紋幾 何尺寸在結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)、疲勞斷裂力學(xué)分析、斷裂判據(jù)和疲勞斷裂控制中是非常重要 的依據(jù)。因此，在作業(yè)環(huán)境、實(shí)際工況下，迅速準(zhǔn)確地確定結(jié)構(gòu)中疲勞裂紋的幾何尺寸具有 重要實(shí)際意義。
[0004] 目前常用的無(wú)損裂紋檢測(cè)方式主要有超聲波檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢 測(cè)、渦流檢測(cè)、漏磁檢測(cè)和聲發(fā)射檢測(cè)。然而這些檢測(cè)方式有的無(wú)法準(zhǔn)確描述裂紋形狀（如 磁粉檢測(cè)等），有的檢測(cè)操作復(fù)雜（如超聲波檢測(cè)等），而有的檢測(cè)設(shè)備昂貴（如聲發(fā)射檢 測(cè)等）。且現(xiàn)有技術(shù)一般只能針對(duì)平板的一種情況對(duì)裂紋表面進(jìn)行深度形狀測(cè)量，不適用與 復(fù)雜變化的結(jié)構(gòu)形式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的問題是，鑒于現(xiàn)有裂紋檢測(cè)方法存在的上述不足以及當(dāng)前市場(chǎng)的 需求，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低的船體典型焊接結(jié)構(gòu)表面裂紋深度及形狀的 測(cè)量裝置及其方法，測(cè)量所得裂紋深度與形狀和真實(shí)裂紋基本一致，適用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu) 表面裂紋測(cè)量。
[0006] 本發(fā)明解決上述問題采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種船體典型焊接結(jié)構(gòu)表面裂紋深度及形狀的測(cè)量裝置，包括由多個(gè)應(yīng)變片組成 的應(yīng)變片組、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、裂紋表面張口位移測(cè)量模塊和NC0D數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，所述應(yīng)變片組 包含沿裂紋擴(kuò)展方向橫向排列分布的應(yīng)變片以及縱向延長(zhǎng)線上的對(duì)比應(yīng)變片，各應(yīng)變片與 對(duì)比應(yīng)變片一起置于PVDF膜上，所述應(yīng)變片組通過信號(hào)線與動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀連接，動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀 用于將應(yīng)變片組的應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；所述裂紋表面張口位移測(cè)量模塊連接到動(dòng)態(tài) 應(yīng)變儀的閉合電路中，裂紋表面張口位移測(cè)量模塊用于接收動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀輸出的電壓信號(hào)并 分析計(jì)算得到裂紋形狀的測(cè)量數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入NCOD數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，調(diào)用NCOD數(shù)據(jù) 庫(kù)系統(tǒng)中的比例因子，獲得裂紋深度及形狀。
[0008] 按上述方案，所述應(yīng)變片包括基底、引線、敏感柵和保護(hù)片，敏感柵固定于基底上， 引線從敏感柵中引出，保護(hù)片設(shè)置于敏感柵上方。
[0009] 本發(fā)明還提供了一種上述測(cè)量裝置的測(cè)量方法，主要包括以下步驟：
[0010] 1)選取船體典型焊接結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的裂紋張口，將應(yīng)變片組的多個(gè)沿裂紋擴(kuò)展方 向橫向排列分布的應(yīng)變片覆蓋粘貼到整條裂紋張口的上方（并且對(duì)測(cè)量中裂紋的繼續(xù)擴(kuò) 展保有余量），并將裂紋表面張口位移測(cè)量模塊連接到動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的閉合電路中；
[0011] 2)調(diào)整輸出電壓；
[0012] 3)讀取動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的靜電輸出電壓值；
[0013] 4)對(duì)船體典型焊接結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行加載，用小錘在船體典型焊接結(jié)構(gòu)表面上進(jìn)行敲 擊并對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，記錄動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀輸出的電壓信號(hào)；
[0014] 5)通過裂紋表面張口位移測(cè)量模塊接收步驟4)中動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀輸出的電壓信號(hào)， 并進(jìn)行分析計(jì)算得到裂紋形狀的測(cè)量數(shù)據(jù)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入NC0D數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，調(diào)用 NC0D數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中的比例因子，獲得裂紋深度及形狀。
[0015] 按上述方案，所述步驟5)具體包括如下步驟：
[0016] a.通過裂紋表面張口位移測(cè)量模塊分析計(jì)算得到名義裂紋開口位移NC0D ;
[0017] b.進(jìn)入NCOD數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，選取相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式；
[0018] c.輸入結(jié)構(gòu)基本參數(shù)；
[0019] d.將步驟a中名義裂紋開口位移NC0D導(dǎo)入NC0D數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)；
[0020] e. NC0D數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)根據(jù)所導(dǎo)入的名義裂紋開口位移NC0D自動(dòng)匹配比例因子α ;
[0021] f.根據(jù)步驟e匹配的比例因子α繪出裂紋形狀及深度。
[0022] 按上述方案，所述步驟b中相應(yīng)結(jié)構(gòu)形式包括平板裂紋、對(duì)接接頭裂紋、焊接接頭 裂紋、T型接頭裂紋、腹板接頭裂紋、腳板接頭裂紋和圓管對(duì)接接頭裂紋。
[0023] 本發(fā)明的工作原理：測(cè)量裝置利用應(yīng)變片的特性，根據(jù)裂紋深度與裂紋開口位移 與名義應(yīng)變比值之間的關(guān)系，通過計(jì)算機(jī)編程對(duì)結(jié)構(gòu)表面裂紋的深度及形狀進(jìn)行測(cè)量。
[0024] 裂紋深度d與裂紋開口位移COD (Crack Opening Displacement)之間的關(guān)系推導(dǎo) 如下：
[0025] 根據(jù)線彈性斷裂力學(xué)理論，三維無(wú)限大均質(zhì)板I型裂紋開口位移C0D與裂紋長(zhǎng)度 L和拉應(yīng)力σ之間存在如下關(guān)系式：
[0027] 式中，Ε為彈性模量；為了避免裂紋開口處外加載荷的影響，定義NC0D為名義裂紋 開口位移（Normalized Crack Opening Displacement)，即在裂紋開口處，每單位名義應(yīng)變 ε "所對(duì)應(yīng)的裂紋開口位移C0D，計(jì)算公式如下：
[0029] 根據(jù)胡克定理，每單位名義應(yīng)變?chǔ)?n由下式得到：
[0031] 因此名義裂紋開口位移NC0D計(jì)算公式變?yōu)椋?br>[0033] 由線彈性斷裂力學(xué)知：
[0035] 式中，T為板厚，d為裂紋深度；
[0036] 故名義裂紋開口位移NC0D由下式得到：
[0037] N0CD = 4 · d · V (d/T) (6)
[0038] 由上可知名義裂紋開口位移NC0D與裂紋深度d之間近似的存在線性比例關(guān)系， 即：
[0040] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及能產(chǎn)生的積極效果：利用應(yīng)變片的組合檢測(cè)效 果對(duì)結(jié)構(gòu)表面裂紋的深度進(jìn)行估測(cè)，通過動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀輸出波形確定裂紋開口位移，選擇測(cè) 量位置，無(wú)需附加設(shè)備提高測(cè)量點(diǎn)位置的精度，估測(cè)方法簡(jiǎn)單實(shí)用效果好，與實(shí)際裂紋形狀 吻合度高。裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)表面裂紋的形狀估測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1為本發(fā)明裂紋深度及形狀測(cè)量裝置的工作結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖2為圖1中應(yīng)變片組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043] 圖3為圖2中應(yīng)變片組的每個(gè)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044] 圖4為結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面裂紋示意圖；
[0045] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例裂紋深度及形狀測(cè)量裝置的使用說(shuō)明圖；
[0046] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例裂紋深度及形狀測(cè)量裝置的應(yīng)變片組和PVDF膜配合的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0047] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例載荷施加辦法舉例不意圖；
[0048] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例有無(wú)裂紋的輸出電壓波形圖；
[0049] 圖9為本發(fā)明測(cè)量裝置適用場(chǎng)合的示例圖；