缆索钢丝疲劳裂纹扩展速率测试方法技术

本发明专利技术公开一种缆索钢丝疲劳裂纹扩展速率测试方法，基于断裂力学理论基础，通过疲劳试验机对预制裂纹钢丝试件施加交变荷载；采用动态应变监测系统和疲劳试验机加载获得实时循环次数

【技术实现步骤摘要】
缆索钢丝疲劳裂纹扩展速率测试方法


[0001]本专利技术属于桥梁工程
，具体涉及到缆索钢丝疲劳裂纹扩展速率测试方法
。

技术介绍

[0002]桥梁缆索作为现代大跨度桥梁
(
悬索桥
、
斜拉桥
)
的主要承重构件，由于长期承受车辆荷载
、
风载等交变循环荷载且处于高应力状态，桥梁缆索易出现疲劳损伤导致失效
。
桥梁缆索用钢丝由高强度热镀锌
(
锌铝
)
钢丝制成
。
目前，缆索钢丝强度已达
1960MPa、2000MPa
级别，更高强度
(2060MPa、2100MPa
级别及以上
)
也在研发之中
。
钢丝强度的提高不仅可以减小材料用量，降低桥梁缆索自重，而且便于缆索的安装
、
维护和维修
。
为了保证缆索结构的使用安全，避免缆索发生断裂甚至桥梁垮塌，需要进行缆索钢丝的抗疲劳设计与分析
。
[0003]目前疲劳寿命分析主要有两种方法：一是基于
S
‑
N
曲线和
Palmgren
‑
Miner
线性累积损伤理论方法；二是基于断裂力学理论的裂纹扩展分析方法
。Miner
线性累积损伤理论方法主要是通过测定高强钢丝的
S
‑
N
曲线计算得到疲劳寿命，但是测定高强钢丝的疲劳曲线需要做大量的疲劳试验，疲劳试验结果离散性大，且试验时间较长
。
采用基于断裂力学理论的裂纹扩展分析方法是根据
《
金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法
》(GB/T 6398
‑
2017)
测定高强钢丝的裂纹扩展速率，再结合
Paris
方程分析其裂纹扩展规律
。
[0004]缆索高强钢丝由母材盘条钢通过冷拉拔技术加工制成，加工过程会改变材料晶体排列，由各向同性转变为钢丝轴线断面与横断面方向材料性能差异显著的状态，由于其加工工艺的复杂性，无法判断母材的裂纹扩展速率是否能代表缆索钢丝的实际裂纹扩展速率；且缆索钢丝规格较小，无法加工为规范中所要求的标准试件进行裂纹扩展速率试验
。
因此，亟需研发适用于缆索钢丝
、
设备简单
、
测量精度高的疲劳裂纹扩展速率测试方法
。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足
,
提供一种操作性强
、
设备简单
、
测量精度高的缆索钢丝疲劳裂纹扩展速率测试方法，为研究缆索钢丝的疲劳寿命和裂纹扩展规律提供技术支持
。
[0006]解决上述技术问题采用的技术方案是：一种缆索钢丝疲劳裂纹扩展速率测试方法，包括以下步骤：
[0007]A、
制备试件；
[0008]选用平直
、
光滑无弯曲的高强钢丝切割为
600mm
的节段作为试验试件，采用钼丝切割的方式在钢丝试件正中间加工直线形缺口，切口深度为
0.1D
±
0.1mm(D
为钢丝直径
)
，切口宽度为
0.2mm
，在试件缺口正背侧准确粘贴应变片，并与测试导线连接；
[0009]B、
安装试件；
[0010]将步骤
A
中制备的预制缺口试件通过上下两夹具体固定在疲劳试验机上，使得试件中心线与夹具轴线重合，并将试件通过测试导线连接到动态应变监测设备上；
[0011]C、
预制裂纹；
[0012]采用逐级降载的方法预制裂纹，目的在于制造一个足够长且尖锐的平直裂纹，保证后续的裂纹扩展速率试验不受裂纹前端形状变化的影响；
[0013]D、
进行裂纹扩展速率试验；
[0014]对步骤
C
中预裂纹试件进行疲劳试验，通过动态应变监测系统和疲劳试验机加载获得实时循环次数下裂纹背侧的应变，疲劳载荷循环加载，直到试件断裂；
[0015]E、
计算裂纹深度；
[0016]E1、
采用动态应变仪采集的应变数据，提取循环次数
N
i
下的裂纹背侧峰值应变
ε
，计算缆索钢丝裂纹背侧柔度
X
：
[0017][0018]其中，
σ
为钢丝两端的远场应力，单位：
MPa
；
ε
为应力
σ
作用下裂纹背侧的应变；
E
为钢丝的弹性模量，单位：
GPa
；
[0019]E2、
计算第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹实际面积
S
：
[0020]S
＝
NA
π
D2/4
[0021]其中，
NA
为缆索钢丝裂纹的归一化面积；
D
为缆索钢丝的直径，单位：
mm
；
[0022]E3、
根据第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹实际面积
S
和裂纹深度
a
的关系，得到对应的裂纹深度
a
；从而获得第
N
i
次循环载荷下的循环次数
N
i
与裂纹深度
a
i
一组数据；
[0023]F、
计算不同循环次数下缆索钢丝裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，并拟合确定与材料相关的参数
m
和
C
；
[0024]G、
计算缆索钢丝在给定的裂纹深度
a
和应力幅值
Δσ
下的裂纹扩展速率
da/dN
：
[0025]da/dN
＝
C(
Δ
K)
m
[0026]其中，
Δ
K
为缆索钢丝的应力强度因子幅值，单位：
MPa
·
m
1/2
。
[0027]本专利技术的步骤
E2
中缆索钢丝裂纹的归一化面积
NA
与缆索钢丝裂纹背侧柔度
X
的关系为：
[0028]0＜
X≤0.96,or 0.04≤NA≤0.4,
[0029]NA
＝
0.40324
‑
0.15244X
‑
0.12672X2‑
0.20316X3+0.23643X4+0.23529X5‑本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种缆索钢丝疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于包括以下步骤：
A、
制备试件；选用平直
、
光滑无弯曲的高强钢丝切割为
600mm
的节段作为试验试件，采用钼丝切割的方式在钢丝试件正中间加工直线形缺口，切口深度为
0.1D
±
0.1mm(D
为钢丝直径
)
，切口宽度为
0.2mm
，在试件缺口正背侧准确粘贴应变片，并与测试导线连接；
B、
安装试件；将步骤
A
中制备的预制缺口试件通过上下两夹具体固定在疲劳试验机上，使得试件中心线与夹具轴线重合，并将试件通过测试导线连接到动态应变监测设备上；
C、
预制裂纹；采用逐级降载的方法预制裂纹，目的在于制造一个足够长且尖锐的平直裂纹，保证后续的裂纹扩展速率试验不受裂纹前端形状变化的影响；
D、
进行裂纹扩展速率试验；对步骤
C
中预裂纹试件进行疲劳试验，通过动态应变监测系统和疲劳试验机加载获得实时循环次数下裂纹背侧的应变，疲劳载荷循环加载，直到试件断裂；
E、
计算裂纹深度；
E1、
采用动态应变仪采集的应变数据，提取循环次数
N
i
下的裂纹背侧峰值应变
ε
，计算缆索钢丝裂纹背侧柔度
X
：其中，
σ
为钢丝两端的远场应力，单位：
MPa
；
ε
为应力
σ
作用下裂纹背侧的应变；
E
为钢丝的弹性模量，单位：
GPa
；
E2、
计算第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹实际面积
S
：
S
＝
NA
π
D2/4
其中，
NA
为缆索钢丝裂纹的归一化面积；
D
为缆索钢丝的直径，单位：
mm
；
E3、
根据第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹实际面积
S
和裂纹深度
a
的关系，得到对应的裂纹深度
a
；从而获得第
N
i
次循环载荷下的循环次数
N
i
与裂纹深度
a
i
一组数据；
F、
计算不同循环次数下缆索钢丝裂纹扩展速率和应力强度因子幅值，并拟合确定与材料相关的参数
m
和
C
；
G、
计算缆索钢丝在给定的裂纹深度
a
和应力幅值
Δσ
下的裂纹扩展速率
da/dN
：
da/dN
＝
C(
Δ
K)
m
其中，
Δ
K
为缆索钢丝的应力强度因子幅值，单位：
MPa
·
m
1/2
。2.
根据权利要求1所述的缆索钢丝疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于：所述的步骤
E2
中缆索钢丝裂纹的归一化面积
NA
与缆索钢丝裂纹背侧柔度
X
的关系为：0＜
X≤0.96,or 0.04≤NA≤0.4,NA
＝
0.40324
‑
0.15244X
‑
0.12672X2‑
0.20316X3+0.23643X4+0.23529X5‑
0.40445X6,R2＝
0.993
；
‑
4≤X≤0,or 0.4
＜
NA≤0.66,NA
＝
0.40367
‑
0.16548X
‑
0.07415X2‑
0.0195X3‑
0.00181X4R2＝
0.987
其中，
R2为决定系数，
R2越接近于1，拟合回归效果越好
。3.
根据权利要求1所述的缆索钢丝疲劳裂纹扩展速率测试方法，其特征在于：所述的步骤
E3
中第
N
i
次循环载荷下缆索钢丝裂纹面积
S
和裂纹深度
a
的关系为：
1.5mm2≤S≤30mm2,0.7mm≤a≤5.5mm,a
＝
‑
0.11955+0.44831S
‑
0.02256S2+6.72732
×
10
‑4S3‑
7.168...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春生，吕兴豪，李熙，段兰，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：