专利名称：动态断裂力学试验系统的利记博彩app
技术领域：
本发明属于材料力学性能测试分析领域，主要涉及金属、塑料等无机材料的动态力学性能的测试分析，尤其是涉及一种动态断裂力学试验系统。
背景技术：
金属结构件服役条件的安全评估以其抗断能力评估为主。受条件限制，目前多进行的为静态断裂力学的安全评估。实际中大量的失效事故多在动载荷下发生，如豪华巨轮泰坦尼克号的断裂，航天飞机挑战者号空间解体等。因此材料的动态断裂力学的安全评估才是更科学和可靠的。
传统的动态试验机为冲击试验机，只能记录试样一次打断后的冲击吸收功，无法记录动载荷条件下试样的断裂过程，更无法获得材料的动态断裂韧度。为了满足新材料的研究需要、满足工程设计及安全评估的需要，国际上目前研发生产的最先进的动态试验机为Zwic/Roell Amsler冲击机系列。该产品不但能记录打断试样的冲击吸收功，同时记录冲断过程中试样的力—位移曲线。该曲线可以用于分析试样在动载荷作用下的断裂过程。
但作为一完整动态断裂力学试验机还远远不够。还需具有如下功能①测试材料在各种加载速度下的断裂行为；②测试材料的抗断能力随温度变化的规律；③测试试样断口形貌特征随温度变化的规律；④测定材料在特定的条件下，如一定的加载速度、服役温度的动态断裂韧度及其变化规律；⑤具备符合国际标准的自动检定系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全新的动态断裂力学试验机。该试验机能自动完成对试验试样在特定加载速度和特定的试验温度下的动态加载工作，纪录试样在特定条件下(加载速度、试验温度)的冲击吸收功、裂纹起裂能、裂纹扩展能、断裂过程的力—位移曲线、力、能量等特征值；纤维断面率、裂纹长度、侧膨胀值、断口形貌；动态断裂韧度及其随温度或速度的变化规律，并能实现自动完成试验机检定、自动控制试验温度，任意选取加载速度、自动完成全套的动态断裂力学试验及数据分析功能。
基于上述目的，本发明采用以下技术解决方案来完成。
本发明的动态断裂力学试验系统包括动态加载机构、动态断口图像采集单元、动态信号采集单元、温度控制单元、自动检定单元和数据处理单元；其中，动态加载机构连接有动态断口图像采集单元以及动态信号采集单元，同时还与温度控制单元和自动检定单元相连；动态断口图像采集单元、动态信号采集单元和温度控制单元同时与数据处理单元相连，从动态断口图像采集单元和动态信号采集单元以及温度控制单元采集的数据同时进入数据处理单元并通过数据处理单元进行数据处理从而得出实验结果和分析结果。
动态加载机构是在主机架的上部安装有主轴，其上设置有自动挂摆机构，在主轴上装配有摆锤，后部配有驱动电机，主机架的下方设置有钳口用来支持试样；自动挂摆机构设置有挂摆挂钩用来挂住摆锤，自动挂摆机构在驱动电机的作用下改变挂摆的角度。
动态断口图像采集单元的图像分析处理单元对图像采集单元和显微镜所采集试样的数据进行分析处理并将分析数据送入数据处理单元。
动态信号采集单元通过同步触发器并由旋转编码器和动态载荷传感器将动态载荷等数据传入数据采集卡，然后送入数据处理单元。
温度控制单元通过电控单元控制高低温箱的温度，再经过数据传输单元将试样的温度数据传输给数据处理单元。
自动检定单元通过若干个检定单元对动态断裂力学试验系统进行自动检定；其中，通过检定单元测量摆锤的摆动周期，通过检定单元实现能量的逐点标定，通过检定单元检测加载机构的能量损失。
数据处理单元包括有若干个数据输入信号以及若干个数据处理单元，若干个数据输入信号进入其对应的若干个数据处理单元并完成在动态载荷下试样的力学性能分析；其中，数据处理单元将来自于数据采集卡的信号1a输入冲击功处理单元；将来自于数据采集卡的信号2a输入标度变换单元；将来自于数据采集卡的信号3a输入数据存储单元；将来自于数据采集卡的信号4a输入数据拟合单元；将信号4a与信号5a同时输入曲线积分单元；将信号4a、5a、6a及信号7a输入曲线绘制单元；动态断裂力学分析计算单元通过以上各数据处理单元的处理，计算材料的动态断裂力学数据。
本发明对动态断裂力学试样实施动态加载，由动态信号采集单元采集样品的动态力、时间等信号，由数据处理单元完成数据处理；利用动态图像采集单元采集断后试样的形貌信号，由数据处理单元完成数据处理及最后的动态断裂力学性能分析，其结果准确完整。
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
附
图1为动态断裂力学试验系统的结构连接示意图。
附图2为本发明的动态加载机构的结构示意图。
附图3为本发明的自动挂摆机构的结构示意图。
附图4为本发明的动态断口图像采集单元的结构连接示意图。
附图5为本发明动态信号采集单元的结构连接示意图。
附图6为本发明温度控制单元的结构连接示意图。
附图7为本发明自动检定单元的结构连接示意图。
附图8为本发明数据处理单元的结构连接示意图。
附图9为本发明的试验冲击经典力—位移曲线。
附图10为本发明试验的不同温度冲击试验力—位移曲线。
具体实施例方式
参照图1的结构连接示意图，本发明包括了动态加载机构1、动态断口图像采集单元2、动态信号采集单元3、温度控制单元4、自动检定单元5和数据处理单元6。以动态加载机构1为主体的动态断裂力学试验系统连接有动态断口图像采集单元2以及动态信号采集单元3，这两个单元所采集到的数据同时进入数据处理单元6。在动态加载机构1上同时还连接有温度控制单元4和自动检定单元5，温度控制单元4可对试验试样进行温度控制，并进行保温，同时将试样的温度传输给数据处理单元6。自动检定单元5对动态加载机构的技术指标进行自动检定。通过数据处理单元6进行各种信号的数据处理，完成试样的实验和分析。
参照图2和图3，动态加载机构是在主机架1.1的上方设置有自动挂摆机构1.2，主轴1.3上装配有摆锤1.4，在主机架1.1的下方设置有钳口1.6用来支持试样1.7；自动挂摆机构1.2上设置有挂摆挂钩1.8，用来挂住摆锤1.4，挂摆机构1.2与驱动电机1.5连接，并在电机1.5的作用下改变挂摆的角度α，达到改变冲击速度的目的。在工作时，驱动电机1.5将摆锤1.4举起，固定在挂摆挂钩1.8锁定的位置，试样1.7被放置在钳口1.6上，释放摆锤1.4，摆锤以设定的速度冲断试验试样1.7，从而完成对试验试样1.7的动态加载。摆锤1.4的速度用以下公式进行计算
v0=2gl(1-cosα)]]>g-自由落体加速度；l-摆锤的打击中心长度；α-挂摆机构的预仰角。电机1.5驱动挂摆机构1.2，改变其预仰角α，从而改变摆锤1.4的初速度。
参照图4，动态断口图像采集单元2包括有图像采集单元2.1、试样1.7、显微镜2.2和图像分析处理单元2.3；CCD图像采集单元2.1及体式显微镜2.2共同完成对试验试样的形貌采集，图像分析处理单元2.3对试验试样断口的断面纤维率、侧膨胀值及裂纹长度进行分析处理，最后得出用户所要求的结果。
参照图5，所说的动态信号采集单元3包括旋转编码器3.1、动态载荷传感器3.2、同步触发器3.3和数据采集卡3.4；通过同步触发器3.3的同步工作，由旋转编码器3.1和动态载荷传感器3.2同时将数据传入数据采集卡3.4，然后将采集的数据送入数据处理单元6，完成对冲击试样断裂过程的力—位移及能量纪录。
参照图6，所说的温度控制单元4包括电控单元4.1、高低温箱4.2、数据传输单元4.3。电控单元4.1用来控制高低温控箱4.2的温度，使其能在-100℃～+1000℃温度范围内调整，当设定在一定温度时，可在此温度下进行保温，其技术指标满足相关的国际、国家标准的要求，还可进行升温、降温、恒温控制。再经过数据传输单元4.3将试验试样试验时的温度数据传输给数据处理单元6，参与相关的数据处理。
参照图7，所说的自动检定单元5通过自动控制单元5.1、根据对动态加载机构的冲击常数，如预仰角、空气阻力摩擦力、摆动周期、打击中心等重要技术指标在若干个鉴定单元中进行自动检定，并根据ISO 148、ASTM E23、GB/T 3808-2002等的要求检定动态断裂力学试验系统的各项技术指标。自动检定单元5通过检定单元5.1，以单摆结构为基础，根据公式l1＝gt2/4π2测量摆锤1.4的摆动周期；通过检定单元5.2依据ASTM E23、ISO 148的规定，利用摆锤扬起的角度及公式AV＝M(cosβ-cosα)实现能量的逐点标定；通过检定单元5.3，依据ASTM E23、ISO 148的规定及GB/T 3808-2002的9.4.1款项，检测加载机构1的能量损失等技术指标。
参照图8，所说的数据处理单元6包括有若干个数据输入信号以及若干个数据处理计算单元，其若干个数据输入信号进入其对应的若干个数据处理单元并完成在动态载荷下试样的力学性能分析。这若干个数据处理计算单元是冲击吸收功计算单元6.1、标度变换计算单元6.2、数据存储计算单元6.3、数据拟合计算单元6.4、曲线积分计算单元6.5、曲线绘制计算单元6.6、动态断裂力学分析计算单元6.7、输出设备计算单元6.8等数据处理计算单元，由这些数据处理计算单元完成在特定温度下、特定加载速度下力—位移曲线绘制、特征值确定、能量分解、断面纤维率、侧膨胀值、动态断裂韧度确定及各种特征值随温度或加载速度的变化规律的计算和分析。
数据处理单元6将来自于数据采集卡3.4的角度信号1a输入冲击功处理单元6.1，然后根据冲击吸收功计算公式AV＝M(cosβ-cosα)来计算冲击吸收功；将来自于动态载荷传感器3.2的信号2a通过数据采集卡3.4输入标度变换单元6.2，将其转换为实时力值信号5a；将来自于同步触发器数据采集卡3.4的原始试验数据信号3a输入数据存储单元6.3，以文件格式实时存入指定文件；将来自于数据采集卡(3.4)的原始记录曲线信号4a输入数据拟合单元6.4，采用滤波技术去除干扰和噪声，利用最小二乘法，将原始数据处理成图形数据；数据处理单元6将实时力值信号5a与时间信号4a同时输入曲线积分单元6.5，曲线积分单元根据W＝FS公式对载荷—位移曲线进行积分，求出冲击吸收功信号6a；数据处理单元6将实时力值信号5a、时间信号4a、冲击吸收功信号6a及位移信号7a输入曲线绘制单元6.6，由曲线绘制单元6.6绘制载荷—时间—能量曲线、载荷—位移—能量曲线；动态断裂力学分析计算单元6.7通过前面对各项数据的处理，计算材料的动态断裂韧度等力学性能数值。
实施例首先根据要求对系统设置加载速度，由自动挂摆机构1.2中的电机1.5改变自动挂摆机构1.2的挂摆角度α，根据设计要求在温度控制单元4上的电控部份4.1给高低温控箱4.2设置试验所需要的温度，实施升降温度及保温，并在试验中由数据传输单元4.3传输试样1.7的温度数据。其次由动态加载机构1将摆锤1.4置入自动挂摆机构1.2，使摆锤1.4具有一定的势能，接着将试样1.7放在动态加载机构1的钳口1.6上，释放摆锤1.4，摆锤以一定的初速度冲击试样1.7，同时动态信号采集单元3的同步触发器3.3控制信号的采集，旋转编码器3.1检测打击试样前后的势能差及摆锤瞬间线速度，动态载荷传感器3.2、数据采集卡3.4对试样1.7上受到的高速加载力进行高速采样，记录试样整个断裂过程中所受的力信号、能量信号、时间信号、位移信号等。试样的断口形貌由动态断口图像采集单元2的CCD图像采集单元2.1和体式显微镜2.2采集，图像分析处理单元2.3确定其断口的断面纤维率、侧膨胀值及裂纹长度。数据处理单元6接收到各单元所采集到的数据并通过冲击吸收功计算单元6.1、标度变换计算单元6.2、数据存储计算单元6.3、数据拟合计算单元6.4、曲线积分计算单元6.5、曲线绘制计算单元6.6、动态断裂力学分析计算单元6.7、输出设备计算单元6.8等数据处理计算单元完成在特定温度下、特定加载速度下力—位移曲线绘制、特征值确定、能量分解、断面纤维率、侧膨胀值、动态断裂韧度确定及各种特征值随温度或加载速度的变化规律的计算和分析。
以下是本发明以某船板钢进行的动态断裂力学试验结果。
试验设备为本发明的动态断裂力学试验机。
试样尺寸为10×10×55mm3标准三点弯曲试样，将V型夏比冲击试样按国标加工，动态断裂力学式样裂纹比a/W为0.45。
A.根据要求设定动态断裂力学试验机加载初速度为5.3m/s，速度设置机构的电机驱动挂摆机构的预仰角，使其停止在预仰角α为135度处，则V0＝[2gl(1-cos135°)]0.5＝5.33m/s。
B.自动检定部份根据国标GB/T 3803-2002测定该试验机的预仰角为134.72°；空气阻力和摩擦力为2.1J(满量程的0.42％)；回零差0.3J。打击中心为849.6mm。以上工作均由自动检定部份中的自动控制系统联合相应的检定单元共同完成。结果满足国标的要求。
C.由温度控制系统将高低温箱降温到试验设计所需要的温度，再将动态断裂力学试样放入高低温箱，根据相关标准要求，保温一定的时间。再由机械手将试样放入动态加载机构的钳口之上，同时将试样的温度信号传递给数据处理系统。
D.启动动态加载机构，自动挂摆机构释放摆锤，摆锤以5.3m/s的初速度冲断动态断裂力学试样。
E.动态信号采集在摆锤冲击断动态断裂力学试样的同时，动态信号采集单元的旋转编码器、位移传感器、动态载荷传感器、数据采集卡受同步触发器指令高速采集各相关信号并发送到数据处理系统。
F.动态断口图像采集单元借助于图像采单元及体式显微镜共同完成对断后样品的形貌采集，图像分析处理单元根据相关的标准，对试验样品的形貌进行处理。
G.数据处理单元收集到的所有的有效信号经过分类比较，并由各对应数据处理单元完成分析、数据处理、汇总并得出结论或结果。
试验结果及分析1)v形夏比仪器化冲击试验a.图9为v形夏比仪器化冲击经典力—位移曲线b.图10为在不同温度下v形夏比仪器化冲击试验力—位移曲线变化趋势，试验温度由-40～-84℃，曲线由全韧性向全脆性转变。
2)动态断裂力学试验a.不同温度下预裂纹动态断裂韧度试验力—位移曲线变化，试验温度由-40～-84℃，曲线由全韧性向全脆性转变。
表1为试验断口裂纹的试验结果表1
表2为动态断裂韧度试验结果表2
以上为某船板钢全套动态试验结果。根据动态断裂韧度的试验结果进行分析可非常准确得出该材料的安全工作温度为-60℃以上，在-60℃以下为危险工作温度段。由于大型钢结构件中不可避免的存在各种缺陷，以微裂纹尤为重要。因此在-60℃以下工作如有碰撞或震动材料就可能由于缺陷的存在而引发裂纹的生成，扩展和断裂。
本发明通过自动完成全套的动态断裂力学试验及数据分析功能，其结果准确完整。为金属和其他材料在各种加载速度下的断裂行为、材料的抗断能力随温度变化的规律、材料断裂行为随温度变化的规律及其动态断裂韧度等力学性能的研究分析提供了依据。
权利要求
1.一种动态断裂力学试验系统，其特征在于包括动态加载机构(1)、动态断口图像采集单元(2)、动态信号采集单元(3)、温度控制单元(4)、自动检定单元(5)和数据处理单元(6)，；其中，动态加载机构(1)连接有动态断口图像采集单元(2)以及动态信号采集单元(3)，同时还与温度控制单元(4)和自动检定单元(5)相连，动态断口图像采集单元(2)、动态信号采集单元(3)和温度控制单元(4)同时与数据处理单元(6)相连，从动态断口图像采集单元(2)和动态信号采集单元(3)以及温度控制单元(4)采集的数据同时进入数据处理单元(6)并通过数据处理单元(6)进行数据处理从而得出试验结果和分析结果。
2.根据权利要求1所述的动态断裂力学试验系统，其特征在于所说的动态加载机构(1)是在主机架(1.1)的上部安装有主轴(1.3)，其上设置有自动挂摆机构(1.2)，在主轴(1.3)上装配有摆锤(1.4)，后部配有驱动电机(1.5)，主机架(1.1)的下方设置有钳口(1.6)用来支持试样(1.7)。
3.根据权利要求2所述的动态断裂力学试验系统，其特征在于所说的自动挂摆机构(1.2)设置有挂摆挂钩(1.8)，用来挂住摆锤(1.4)，自动挂摆机构(1.2)在驱动电机(1.5)的作用下改变挂摆的角度。
4.根据权利要求1所述的动态断裂力学试验系统，其特征在于所说的动态断口图像采集单元(2)包括有图像采集单元(2.1)、试样(1.7)、显微镜(2.2)和图像分析处理单元(2.3)；图像分析处理单元(2.3)对图像采集单元(2.1)和显微镜(2.2)所采集试样(1.7)的数据进行分析处理并将分析数据送入数据处理单元(6)。
5.根据权利要求1所述的动态断裂力学试验系统，其特征在于所说的动态信号采集单元(3)包括旋转编码器(3.1)、动态载荷传感器(3.2)、同步触发器(3.3)和数据采集卡(3.4)，通过同步触发器(3.3)并由旋转编码器(3.1)和动态载荷传感器(3.2)将动态载荷等数据传入数据采集卡(3.4)，然后送入数据处理单元(6)。
6.根据权利要求1所述的动态断裂力学试验系统，其特征在于所说的温度控制单元(4)包括电控单元(4.1)、高低温箱(4.2)、数据传输单元(4.3)，通过电控单元(4.1)控制高低温箱(4.2)的温度，再经过数据传输单元(4.3)将试样的温度数据传输给数据处理单元(6)。
7.根据权利要求1所述的动态断裂力学试验系统，其特征在于所说的自动检定单元(5)通过若干个检定单元对动态断裂力学试验系统进行自动检定；其中，通过检定单元(5.1)测量摆锤(1.4)的摆动周期，通过检定单元(5.2)实现能量的逐点标定，通过检定单元(5.3)检测加载机构(1)的能量损失。
8.根据权利要求1或4或5或6任一权利要求所述的动态断裂力学试验系统，其特征在于所说的数据处理单元(6)包括有若干个数据输入信号以及若干个数据处理单元，若干个数据输入信号进入其对应的若干个数据处理单元并完成在动态载荷下试样(1.7)的力学性能分析；其中，数据处理单元(6)将来自于数据采集卡(3.4)的信号1a输入冲击功处理单元(6.1)；将来自于数据采集卡(3.4)的信号2a输入标度变换单元(6.2)；将来自于数据采集卡(3.4)的信号3a输入数据存储单元(6.3)；将来自于数据采集卡(3.4)的信号4a输入数据拟合单元(6.4)；将信号4a信号5a同时输入曲线积分单元(6.5)；将信号4a、5a、6a及信号7a输入曲线绘制单元(6.6)；动态断裂力学分析计算单元(6.7)通过以上各数据处理单元的处理，计算材料的动态断裂力学数据并通过输出设备单元(6.8)输出处理结果。
9.根据权利要求1或6所述的动态断裂力学试验系统，其特征在于所说的温度控制单元(4)的控制范围可在-100℃～+1000℃之间调整并可进行保温。
全文摘要
本发明公开了一种动态断裂力学试验系统，该系统涉及材料力学分析测试领域，所述的动态断裂力学试验系统包括动态加载机构1、动态断口图像采集单元2、动态信号采集单元3、温度控制单元4、自动检定单元5以及数据处理单元6等。本发明利用动态断裂力学试验系统对动态断裂力学试样实施动态加载，利用动态信号采集单元及动态断口图像采集单元采集断裂过程力、位移及断后试样的形貌信号等，由数据处理单元完成数据处理及最后的动态断裂力学性能分析，其结果准确完整，为金属和其他材料在各种加载速度下的断裂行为、材料的抗断能力随温度变化的规律、材料断裂行为随温度变化的规律及其动态断裂韧度等力学性能的研究分析提供了依据。
文档编号G01N3/30GK1815168SQ20061000751
公开日2006年8月9日 申请日期2006年2月14日 优先权日2006年2月14日
发明者张庄, 洪刚, 任立志, 任志远, 张敬敏, 王春华, 户天柱 申请人:钢铁研究总院