动态断裂力学试验系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用以下技术解决方案来完成。本专利技术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。本专利技术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。以下结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。附附图说明图1为动态断裂力学试验系统的结构连接示意图。附图2为本专利技术的动态加载机构的结构示意图。附图3为本专利技术的自动挂摆机构的结构示意图。附图4为本专利技术的动态断口图像采集单元的结构连接示意图。附图5为本专利技术动态信号采集单元的结构连接示意图。附图6为本专利技术温度控制单元的结构连接示意图。附图7为本专利技术自动检定单元的结构连接示意图。附图8为本专利技术数据处理单元的结构连接示意图。附图9为本专利技术的试验冲击经典力—位移曲线。附图10为本专利技术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，本专利技术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、数据传本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张庄，洪刚，任立志，任志远，张敬敏，王春华，户天柱，
申请(专利权)人：钢铁研究总院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]