本發(fā)明屬于材料性能測量設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種用于膠粘接頭內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展試驗測試系統(tǒng)

背景技術(shù)：

隨著膠接技術(shù)作為連接技術(shù)的優(yōu)勢越來越明顯，膠接技術(shù)廣泛用于汽車、航空航天以及一些大型機(jī)器中，但是這些膠接部分在制造過程中，不可避免會出現(xiàn)一些異物夾雜，刀具劃痕等缺陷，而且在服役過程中承受周期性疲勞載荷，長期服役情況下這些載荷不可避免導(dǎo)致這些微觀裂紋進(jìn)行擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到臨界狀態(tài)時必然導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)斷裂而失效。故而，進(jìn)行研究膠粘接頭在疲勞載荷下的裂紋擴(kuò)展行為非常重要。

目前,國內(nèi)外對膠粘結(jié)構(gòu)疲勞壽命研究的方法大多是通過光學(xué)方法、應(yīng)變片法以及柔度法進(jìn)行測量，這對于大多數(shù)在接頭內(nèi)部出現(xiàn)裂紋的試樣以及對于測量的裂紋長度的精確度有很大的局限性。而且有人采用雙懸臂梁試樣進(jìn)行試驗，該試樣用膠粘劑將兩塊被粘物薄板粘接在一起,形成三明治結(jié)構(gòu)，試驗開始前,在膠粘劑與被粘物界面預(yù)制一個裂紋,然后在垂直于粘接界面方向施加拉伸疲勞載荷。該試驗的局限性在于裂紋為單側(cè)擴(kuò)展，而且利用光學(xué)測量法觀測表面裂紋長度，這既不能精確模擬實際裂紋擴(kuò)展行為，也不能對內(nèi)部裂紋進(jìn)行實時檢測，所以需要特殊的能進(jìn)行測量接頭內(nèi)部裂紋擴(kuò)展行為的系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對膠粘連接在各種工程中服役時所發(fā)生的疲勞裂紋擴(kuò)展問題，本發(fā)明設(shè)計了一種用于膠粘接頭內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展試驗測試系統(tǒng)，利用信號采集系統(tǒng)為輔助裝置，實時監(jiān)測膠粘接頭內(nèi)部裂紋擴(kuò)展行為，計算裂紋擴(kuò)展速率，進(jìn)而求出膠粘接頭的疲勞壽命。

本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種用于膠粘接頭內(nèi)部裂紋擴(kuò)展試驗的測試系統(tǒng)，其包括直流電源、電阻箱、信號采集系統(tǒng)、夾具、疲勞試驗機(jī)和若干導(dǎo)線，其特征在于：試樣安裝在夾具上，夾具和疲勞試驗機(jī)通過螺紋直接相連；將直流電源、電阻箱和試樣通過導(dǎo)線串聯(lián)成閉合回路；信號采集系統(tǒng)通過導(dǎo)線連接在試樣兩端，用于采集試樣兩端的電壓信號，并在信號采集系統(tǒng)的顯示器上顯示；

夾具通過上夾頭的上夾頭螺紋和疲勞試驗機(jī)上螺紋連接固定，通過下夾頭固定桿的下夾頭螺紋與疲勞試驗機(jī)下螺紋連接在固定；

夾具的上夾頭設(shè)有上夾頭扳手夾持面；下夾頭固定桿上設(shè)有下夾頭扳手夾持面；

下夾頭的下夾頭上定位銷孔和下夾頭固定桿的下夾頭下定位銷孔軸線重合時，定位銷插入銷孔，固定夾具的位置，并傳遞來自疲勞試驗機(jī)的載荷。

本發(fā)明還提供了利用測試系統(tǒng)進(jìn)行膠粘接頭內(nèi)部裂紋擴(kuò)展試驗的測試方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：制作試樣，清除試樣表面污垢；

該步驟中，將圓金屬磨平，用丙酮清洗并用砂紙打磨圓金屬片面，達(dá)到膠粘表面條件，將上螺桿與上螺母與墊片配合安裝在金屬片上，在中部預(yù)埋圓形玻璃紙代替裂紋，將膠粘劑均勻涂抹在玻璃紙周圍，采用直徑與膠層等厚的銅絲控制膠粘厚度，將兩片圓金屬片粘接在一起，膠層完全固化后試件制備完成；

步驟2：在疲勞試驗機(jī)上安裝試樣的夾具；

夾具上夾頭、下夾頭固定桿的材料為絕緣尼龍材料，安裝夾具時，將夾具上夾頭、下夾頭固定桿通過螺紋連接分別安裝在疲勞試驗機(jī)的上下兩端；

步驟3：在夾具上安裝試樣，保證夾具和試樣的對中性；

該步驟中，上夾頭和下夾頭都開有與試樣螺桿相配合的螺紋孔，通過螺紋連接固定試樣，并且通過上螺桿，下螺桿給試樣施加集中載荷；

步驟4：連接電路，并根據(jù)試樣電阻值，調(diào)節(jié)分壓電阻電阻箱至合適值；

步驟5：將信號采集系統(tǒng)通過導(dǎo)線連接到試樣的兩端，采集試樣兩端的電壓信號，并輸出數(shù)據(jù)；

步驟6：確定疲勞實驗測試參數(shù)；

根據(jù)試樣的拉伸強(qiáng)度確定疲勞試驗中加載載荷值、載荷比以及加載波形，并根據(jù)信號采集系統(tǒng)的信號采集頻率確定疲勞試驗的加載頻率；

步驟7：在疲勞試驗中設(shè)置步驟中確定的疲勞測試參數(shù)，同時打開信號采集系統(tǒng)和疲勞試驗機(jī)，開始測試，直至試樣完全斷裂；

步驟8：根據(jù)疲勞試驗機(jī)輸出的力-位移曲線和疲勞循環(huán)次數(shù)以及信號采集系統(tǒng)4采集到的電壓-時間曲線得出裂紋長度與電阻之間的關(guān)系

本發(fā)明針對傳統(tǒng)裂紋測量方法在內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展測量時的不足，創(chuàng)新性的結(jié)合物理電學(xué)的方法，提出一種準(zhǔn)確測量試樣內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展的方法和系統(tǒng)，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明在測量內(nèi)部裂紋擴(kuò)展時，與光學(xué)法相比，能夠?qū)崟r檢測試樣內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展行為，而不必中斷試驗加載過程，減少不必要的實驗誤差，解決光學(xué)測量法的局限性，更接近實際加載過程。

(2)本發(fā)明在測量內(nèi)部裂紋擴(kuò)展時，由于電學(xué)信號的靈敏性，與柔度測量法相比，有更高的精確度。

(3)本發(fā)明在測量內(nèi)部裂紋擴(kuò)展時，與應(yīng)變片測量法相比，在保證精確度的前提下，可以重復(fù)利用，節(jié)約實驗測量成本。

(4)本發(fā)明在測量內(nèi)部裂紋擴(kuò)展時，內(nèi)部裂紋測量系統(tǒng)各組件安裝簡單，操作容易。

(5)本發(fā)明在測量內(nèi)部裂紋擴(kuò)展時，根據(jù)特殊的試樣，推倒出電阻和裂紋長度的關(guān)系式，這為其他形狀試樣的裂紋長度與電阻的關(guān)系式的推倒提供一種新方法。

(6)本發(fā)明在測量內(nèi)部裂紋擴(kuò)展時，針對特殊形狀的試樣，推出試樣隨著裂紋擴(kuò)展，應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂紋長度的表達(dá)式，為推出裂紋擴(kuò)展模型提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

(7)本發(fā)明在測量內(nèi)部裂紋擴(kuò)展時，推倒出預(yù)測Ⅰ型裂紋擴(kuò)展模型的方法，為裂紋擴(kuò)展預(yù)測提供理論模型。

附圖說明

圖1為本發(fā)明用于膠粘接頭內(nèi)部裂紋擴(kuò)展試驗的測試系統(tǒng)的試驗裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明所述裝夾結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明所述夾具各部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明所述試驗夾具安裝試樣結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5(a)-(b)為本發(fā)明所述的試樣結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明用于膠粘接頭內(nèi)部裂紋擴(kuò)展試驗的測試系統(tǒng)的電路圖；

圖7為本發(fā)明的具體實施例中裂紋長度與循環(huán)周次的圖。

其中：1-直流電源，2-電阻箱，3-試樣，4-信號采集系統(tǒng)，5-夾具，6-疲勞試驗機(jī)，301-墊片，302-上螺桿，303-上螺母，304-金屬片，305-膠層，306-下螺桿，510-上夾頭，511-上夾頭螺紋孔，512-上夾頭扳手夾持面，513-上夾頭螺紋，520-下夾頭，521-下夾頭螺紋孔，522-下夾頭上定位銷孔，530-定位銷，540-下夾頭固定桿，541-下夾頭下定位銷孔，542-上夾頭扳手夾持面，543-下夾頭螺紋，601-疲勞試驗機(jī)上螺紋，602-疲勞試驗機(jī)下螺紋。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。

如圖1所示，該實施例提供了一種用于膠粘接頭內(nèi)部裂紋擴(kuò)展試驗的測試系統(tǒng)，其包括直流電源1、電阻箱2、試樣3、信號采集系統(tǒng)4、夾具5、疲勞試驗機(jī)6和若干導(dǎo)線7。其中：試樣3安裝在夾具5上，夾具5和疲勞試驗機(jī)6通過螺紋直接相連。將直流電源1、電阻箱2和試樣3通過導(dǎo)線7串聯(lián)成閉合回路。信號采集系統(tǒng)4通過導(dǎo)線7連接在試樣3兩端，用于采集試樣3兩端的電壓信號，并在信號采集系統(tǒng)4的顯示器上顯示。

如圖2、圖3所示，夾具5通過上夾頭510的上夾頭螺紋513和疲勞試驗機(jī)上螺紋601連接固定，通過下夾頭固定桿540的螺紋543與疲勞試驗機(jī)下螺紋602連接在固定。

如圖3所示，夾具5上夾頭510上有上夾頭扳手夾持面512以及下夾頭固定桿540上的下夾頭扳手夾持面542是為方便扳手安裝和拆卸夾具。

如圖3、圖4所示，下夾頭520的下夾頭上定位銷孔522和下夾頭固定桿540的下夾頭下定位銷孔541軸線重合時，定位銷530插入銷孔，固定夾具5的位置，并傳遞來自疲勞試驗機(jī)6的載荷。

如圖5所示，試樣3有上螺桿302和下螺桿306，用來安裝在圖3所示的夾具5上時，分別和上夾頭510上的上夾頭螺紋孔511、下夾頭520上的下夾頭螺紋孔521進(jìn)行螺紋連接，固定試樣3。

如圖6所示，測量內(nèi)部裂紋擴(kuò)展系統(tǒng)的電路圖，直流電源1、電阻2和試樣3組成串聯(lián)電路，信號采集系統(tǒng)4直接采集試樣3兩端的電壓。

本發(fā)明還提供了一種膠粘接頭內(nèi)部裂紋擴(kuò)展試驗的測試方法，該方法具體包括：

步驟1：制作試樣3，并清除試樣3表面污垢；

該步驟中，進(jìn)行疲勞實驗前，先制作如圖5所示試樣3，為構(gòu)成閉合的電路，膠粘劑采用強(qiáng)度高的而且可導(dǎo)電的環(huán)氧導(dǎo)電膠粘劑，試樣3的被粘物材料采用中等程度強(qiáng)度，耐腐蝕性的鋁合金。將圓金屬片304磨平，用丙酮清洗并用砂紙打磨圓金屬片304表面，達(dá)到膠粘表面條件，將上螺桿302與上螺母303與墊片301配合安裝在金屬片上，在中部預(yù)埋圓形玻璃紙代替裂紋，將膠粘劑均勻涂抹在玻璃紙周圍，采用直徑與膠層等厚的銅絲控制膠粘厚度，將兩片金屬片粘接在一起，膠層305完全固化后試件制備完成。

步驟2：在疲勞試驗機(jī)6上安裝試樣3的夾具5；

如圖3所示，該步驟中，為保證實驗的準(zhǔn)確性，消除設(shè)備電阻的影響，夾具上夾頭510、下夾頭固定桿540的材料位剛性較大的絕緣尼龍材料，安裝夾具5時，將夾具上夾頭510、下夾頭固定桿540通過螺紋連接分別安裝在疲勞試驗機(jī)6的上下兩端。

步驟3：在夾具5上安裝試樣3，保證夾具5和試樣3的高度對中性。

該步驟中，試樣3受拉-拉疲勞循環(huán)載荷時，為消除其他載荷的作用，保證試樣3的高度對中性，上夾頭510和下夾頭520都開有與試樣螺桿302相配合的螺紋孔，通過螺紋連接固定試樣3，并且通過上螺桿302，下螺桿306給試樣3施加集中載荷。如圖4所示，通過上升疲勞試驗機(jī)6，直至下夾頭502與下夾頭固定桿540完成配合，下夾頭上定位銷孔522、下夾頭下定位銷孔541在同一軸線上，將定位銷530插入下夾頭上定位銷孔522、下夾頭下定位銷孔541，試樣3安裝完畢。

步驟4：連接電路，并根據(jù)試樣3電阻值，調(diào)節(jié)分壓電阻電阻箱至合適值。

如圖5所示，在該步驟中，將直流電源1、電阻箱2、試樣3、導(dǎo)線7組成串聯(lián)閉合回路，用歐姆表測量試樣3的電阻，并根據(jù)試樣3電阻值調(diào)節(jié)電阻箱2的電阻值，使得電阻箱2的值與試樣3電阻相等，這利于信號采集系統(tǒng)4采集試樣3兩端的電壓值；

步驟5：將信號采集系統(tǒng)4通過導(dǎo)線7連接到試樣3的兩端，采集試樣3兩端的電壓信號，并輸出數(shù)據(jù)；

該步驟中，信號采集系統(tǒng)4利用NI信號采集器并結(jié)合信號分析軟件Labview對試樣3兩端的電壓信號進(jìn)行采集與分析；

步驟6：確定疲勞實驗測試參數(shù)；

在該步驟中，根據(jù)試樣3的拉伸強(qiáng)度確定疲勞試驗中加載載荷值、載荷比以及加載波形，并根據(jù)信號采集系統(tǒng)4的信號采集頻率確定疲勞試驗的加載頻率，使得疲勞試驗機(jī)6數(shù)據(jù)采集與信號采集系統(tǒng)4采集的頻率相互協(xié)調(diào)、使數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確；

步驟7：在疲勞試驗中設(shè)置步驟6中確定的疲勞測試參數(shù)，同時打開信號采集系統(tǒng)4和疲勞試驗機(jī)6，開始測試，直至試樣3完全斷裂；

在該步驟中，確定設(shè)置的疲勞測試參數(shù)準(zhǔn)確，并同時打開信號采集系統(tǒng)4和開始疲勞測試試驗，保證數(shù)據(jù)采集的同時性；

步驟8：根據(jù)疲勞試驗機(jī)6輸出的力-位移曲線和疲勞循環(huán)次數(shù)以及信號采集系統(tǒng)4采集到的電壓-時間曲線得出裂紋長度與電阻之間的關(guān)系；

在該步驟中，將信號采集系統(tǒng)4采集的電壓數(shù)據(jù)根據(jù)歐姆定律進(jìn)而得出電阻-壽命變化曲線，然后根據(jù)通過微元法推出的試樣電阻-裂紋長度的關(guān)系式(1)，得出循環(huán)次數(shù)N和裂紋的增長量Δa的關(guān)系，進(jìn)而得出裂紋擴(kuò)展時的裂紋擴(kuò)展速率da/dN的變化情況。

式中a₀是指初始裂紋長度，a是指隨著疲勞試驗而變化的裂紋長度值，ΔR是指試樣微元電阻，R₀是指初始電阻，R′是隨著裂紋擴(kuò)展而變化的實時電阻。

利用本發(fā)明的用于測試內(nèi)部疲勞裂紋試驗的測試系統(tǒng)和測試方法，根據(jù)上述實驗步驟，實施金屬膠接內(nèi)部疲勞裂紋擴(kuò)展試驗，得到裂紋長度與疲勞循環(huán)壽命的關(guān)系圖，具體如圖7所示：

圖7得到的裂紋長度與循環(huán)周次的圖(a-N圖)能準(zhǔn)確的反映隨著疲勞載荷循環(huán)加載，裂紋擴(kuò)展的行為，圖像曲線輕微波動主要是由于載荷為拉-拉疲勞循環(huán)載荷，當(dāng)載荷為較大載荷時，裂紋會張開，當(dāng)載荷較小時，裂紋張開角度會變小，所以電阻會隨著載荷的變化會發(fā)生變化，裂紋長度相應(yīng)的也會發(fā)生變化，這能真實地反映內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展行為，也能實時地監(jiān)測內(nèi)部裂紋擴(kuò)展。

在上述測試系統(tǒng)及實驗方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明又針對試樣3區(qū)別于雙懸臂梁的特殊的圓盤形狀，根據(jù)斷裂力學(xué)中描述裂紋擴(kuò)展的關(guān)系式Pairs公式(2)，推出關(guān)于Ⅰ型疲勞裂紋擴(kuò)展的預(yù)測模型。

式中表示裂紋擴(kuò)展速率，C和n是與材料相關(guān)的常數(shù)，ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。

由上述測試系統(tǒng)和測量方法已經(jīng)求出裂紋長度和循環(huán)周次的關(guān)系圖像(a-N圖)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)試樣3的特殊圓盤形狀和通過螺桿加載的集中拉伸載荷的加載方式推出應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值ΔK與裂紋長度a的關(guān)系式(3)：

式中P為施加在試樣3上集中拉伸載荷，a、b分別為圓盤預(yù)制裂紋的半徑和試樣半徑，σ_n為試樣應(yīng)力分布，K_max和K_min分別為疲勞循環(huán)測試中對應(yīng)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力下的應(yīng)力強(qiáng)度因子。

通過上述測試系統(tǒng)測試得到的實驗數(shù)據(jù)(a-N圖)和理論推倒得到的理論數(shù)據(jù)(ΔK-a)擬合可以得到Paris公式的常數(shù)，通過積分可以得到試樣疲勞壽命與裂紋長度的預(yù)測模型(4)，根據(jù)該模型可以對Ⅰ型疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行預(yù)測。

式中a₀為試樣初時裂紋尺寸，a_c為試樣發(fā)生斷裂時的裂紋時尺寸，N_c為裂紋擴(kuò)展a_c時的疲勞循環(huán)壽命。

雖然上面結(jié)合本發(fā)明的優(yōu)選實施例對本發(fā)明的原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實施例僅僅是對本發(fā)明的示意性實現(xiàn)方式的解釋，并非對本發(fā)明包含范圍的限定。實施例中的細(xì)節(jié)并不構(gòu)成對本發(fā)明范圍的限制，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，任何基于本發(fā)明技術(shù)方案的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均落在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。