裂纹尖端塑性区监测装置及方法

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及裂纹尖端测量技术领域，特别是涉及一种裂纹尖端塑性区监测装置及方法。背景技术：2.绝大多数金属材料，在裂纹尖端附近，由于应力集中，必然形成塑性区。裂纹尖端塑性区是指裂纹体受力后在裂纹尖端出现一个塑性变形的区域。工程材料只要稍有塑性变形的能力在裂尖处便有可能出现塑性区。塑性区的出现将使裂尖的应力集中情况得到缓和。当材料的塑性变形能力愈大同时所受应力愈大时裂尖塑性区也愈大，裂尖愈易得到纯化。裂纹尖端塑性区范围内的材料可承受较大应变，表现得更像是“裂纹”。线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学中一般可以考虑“有效裂纹长度”，即裂纹尖端塑性区的长度来对断裂参数进行修正。3.在实际应用中，对于裂纹尖端塑性区的长度，一般可用公式计算得出。对于循环屈服强度，可以通过加载力计算得出，但是，对于不同的工况条件，应力强度因子不同，因此，要确定与实际应用环境和场景对应的特定工况下裂纹尖端塑性区的长度，需要确定该特定工况下的应力强度因子。4.对于被测材料在特定工况下的应力强度因子，一般需要通过实验进行确定。实验过程中，为了获得该特定工况下的系数，需要在该特定工况下监测裂纹尖端塑性区的长度以及循环屈服强度，建立与的关系，从而得到该工况下的系数。对于该特定工况下的循环屈服强度，可以通过加载力计算得出，但裂纹尖端塑性区的长度一般却难以进行较准确的监测。技术实现要素：5.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可对裂纹尖端塑性区的长度进行较准确监测的裂纹尖端塑性区监测装置及方法。6.一种裂纹尖端塑性区监测装置，包括：应力施加件，用于给裂纹试件施加应力；熔接光纤组，用于固定在裂纹试件上，并使所述裂纹试件的裂纹延展方向经过所述熔接光纤的熔接处；光信号发生件，与所述熔接光纤组的信号输入端连接，用于产生光信号；光率计组，与所述熔接光纤组的信号输出端连接，用于监测所述熔接光纤组内每个熔接光纤传输的光信号功率；解调显示器，与所述光率计组连接，用于显示根据光率计组监测的光信号功率，并根据所述光信号功率判断对应连接的熔接光纤是否发生损伤，从而判断裂纹尖端塑性区延展到达的位置，进而确定所述裂纹尖端塑性区的长度。7.进一步的，所述应力施加件为蠕变试验机，所述蠕变试验机夹持在所述裂纹试件的两端。8.进一步的，所述熔接光纤组内的熔接光纤之间相互平行，且垂直于所述裂纹试件的裂纹延展方向。9.进一步的，所述熔接光纤组内的熔接光纤两两成对，每对熔接光纤的关于所述裂纹试件的裂纹中心对称。10.进一步的，位于所述裂纹试件的裂纹同侧的熔接光纤之间的距离相等。11.进一步的，所述熔接光纤组内的熔接光纤与所述光率计组内的光率计一一对应连接。12.进一步的，所述光信号发生件为宽带光源。13.一种裂纹尖端塑性区检测方法，通过上述任一项所述的裂纹尖端塑性区监测装置实现，所述方法包括：将熔接光纤组固定在裂纹试件上，使所述裂纹试件的裂纹延展方向经过熔接光纤的熔接处；将应力施加件加载在所述裂纹试件上；开启光信号发生件，光信号途经熔接光纤组内的每个熔接光纤传输至光率计组；光率计组监测经过每个熔接光纤的光信号功率；解调显示器显示光信号功率，并根据所述光信号功率判断对应连接的熔接光纤是否发生损伤，从而判断裂纹尖端塑性区延展到达的位置，进而确定所述裂纹尖端塑性区的长度。14.进一步的，所述熔接光纤组固定在裂纹试件上，使所述裂纹试件的裂纹延展方向经过熔接光纤的熔接处，包括：熔接光纤组内的熔接光纤平行设置，且垂直于所述裂纹试件的裂纹延展方向；将所述熔接光纤两两成对设置，每对熔接光纤关于所述裂纹试件的裂纹中心对称。15.进一步的，所述熔接光纤组固定在裂纹试件上，使所述裂纹试件的裂纹延展方向经过熔接光纤的熔接处，还包括：将位于所述裂纹试件的裂纹同侧的熔接光纤之间的距离设置为同等距离。16.上述裂纹尖端塑性区监测装置及方法，在实验过程中，通过应力施加件给裂纹试件施加应力，熔接光纤组固定在裂纹试件上，并使裂纹试件的裂纹延展方向经过熔接光纤的熔接处，便于熔接光纤组监测裂纹延展程度。熔接光纤组的输入端连接有光信号发生件，光信号发生件所发射的光信号可在熔接光纤组内部传输，加上熔接光纤组的输出端与光率计组连接，因此光率计组可以接收熔接光纤组输出的光信号，由于光信号具有较高的灵敏度，光率计组可以较为精确的监测熔接光纤组内每个熔接光纤传输的光信号功率。光率计组连接有解调显示器，可以显示光率计组监测到的光信号功率，并根据该光信号功率判断对应连接的熔接光纤是否发生损伤，从而判断裂纹尖端塑性区延展到达的位置，进而获得裂纹尖端塑性区长度。监测过程简单，加上光信号较高的灵敏度，因此监测精度较高。附图说明17.图1为本技术中一个实施例的裂纹尖端塑性区监测装置结构示意图；图2为本实施例的裂纹尖端塑性区监测装置裂纹区域光纤排布示意图；图3为本技术中裂纹尖端塑性区监测方法流程图。18.图中：100、宽带光源；200、熔接光纤组；210、一号熔接光纤；220、二号熔接光纤；230、三号熔接光纤；240、四号熔接光纤；250、五号熔接光纤；260、六号熔接光纤；300、光率计组；310、一号光率计；320、二号光率计；330、三号光率计；340、四号光率计；350、五号光率计；360、六号光率计；400、裂纹试件；500、蠕变试验机；600、解调显示器。具体实施方式19.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。20.如图1至图2所示，在一个实施例中，一种裂纹尖端塑性区监测装置，包括宽带光源100、熔接光纤组200、光率计组300、蠕变试验机500和解调显示器600。熔接光纤组200包括一号熔接光纤210、二号熔接光纤220、三号熔接光纤230、四号熔接光纤240、五号熔接光纤250和六号熔接光纤260，光率计组300包括一号光率计310、二号光率计320、三号光率计330、四号光率计340、五号光率计350和六号光率计360。21.在本实施例中，将裂纹试件400装载在蠕变试验机500上，裂纹试件400上具有待测裂纹。试验过程中，将一号熔接光纤210、二号熔接光纤220、三号熔接光纤230、四号熔接光纤240、五号熔接光纤250和六号熔接光纤260垂直于裂纹试件400上的裂纹延展方向并排布在裂纹两侧，使熔接位置大致在裂纹延展方向上，之后使用胶将熔接处两侧的光纤粘在裂纹试件400上，且粘贴时使光纤处于拉紧状态。熔接光纤组200内的熔接光纤两两成对，每对熔接光纤关于待测裂纹中心对称，且位于待测裂纹同侧的熔接光纤之间的距离相等。22.在本实施例中，将一号熔接光纤210、二号熔接光纤220、三号熔接光纤230、四号熔接光纤240、五号熔接光纤250和六号熔接光纤260的同一侧的光纤连接在宽带光源100上，使得宽带光源100发射光信号到熔接光纤组200中进行传输。23.在本实施例中，一号熔接光纤210、二号熔接光纤220、三号熔接光纤230、四号熔接光纤240、五号熔接光纤250和六号熔接光纤260的另一侧分别与一号光率计310、二号光率计320、三号光率计330、四号光率计340、五号光率计350和六号光率计360一一对应连接，使得光率计组300对熔接光纤组200进行一对一监测。24.在本实施例中，光率计组300与解调显示器600连接，监测时，打开宽带光源100，解调显示器600上显示光率计组300的读数。在裸光纤组的应变监测过程中，若裂纹扩展至裸光纤所在的区域，使裸光纤上产生应变甚至断裂，进而引起光率计组300示数的变化，经过解调显示器600显示，从而判断裂纹尖端塑性区延展所到达的位置，进而确定裂纹尖端塑性区的长度。25.如图3所示，一种裂纹尖端塑性区监测方法，包括以下步骤：步骤s810：将熔接光纤组固定在裂纹试件上，使裂纹试件的裂纹延展方向经过熔接光纤的熔接处。26.具体地，光率计组由多个光率计组成，熔接光纤组由多个熔接光纤组成，熔接光纤组内的熔接光纤平行设置，且垂直于裂纹试件的裂纹延展方向，将熔接光纤两两成对设置，每对熔接光纤关于裂纹试件的裂纹中心对称，且位于裂纹试件的裂纹同侧的熔接光纤之间的距离设置为同等距离。光率计与熔接光纤一一对应连接，宽带光源向每个熔接光纤发射光信号。光率计可根据监测到的光信号功率获取熔接光纤是否发生损伤。27.步骤s820：将应力施加件加载在裂纹试件上。28.具体地，将蠕变试验机夹持在裂纹试件两端，并对裂纹试件施加应力。29.步骤s830：开启光信号发生件，光信号途经熔接光纤组内的每个熔接光纤传输至光率计组。30.具体地，光率计组根据接收到的光信号功率可以判断熔接光纤是否有损伤。31.步骤s840：光率计组监测经过每个熔接光纤的光信号功率。32.具体地，光率计组通过监测不同位置的熔接光纤的光信号功率可以监测不同位置裂纹试件的裂纹的延展长度。33.步骤s850：解调显示器显示光信号功率，并根据光信号功率判断对应连接的熔接光纤是否发生损伤，从而判断裂纹尖端塑性区延展到达的位置，进而确定裂纹尖端塑性区的长度。34.上述裂纹尖端塑性区监测装置及方法，在实验过程中，通过应力施加件给裂纹试件施加应力，熔接光纤组固定在裂纹试件上，并使裂纹试件的裂纹延展方向经过熔接光纤的熔接处，便于熔接光纤组监测裂纹延展程度。熔接光纤组的输入端连接有光信号发生件，光信号发生件所发射的光信号可在熔接光纤组内部传输，加上熔接光纤组的输出端与光率计组连接，因此光率计组可以接收熔接光纤组输出的光信号，由于光信号具有较高的灵敏度，光率计组可以较为精确的监测熔接光纤组内每个熔接光纤传输的光信号功率。光率计组连接有解调显示器，可以显示光率计组监测到的光信号功率，并根据该光信号功率判断对应连接的熔接光纤是否发生损伤，从而判断裂纹尖端塑性区延展到达的位置，进而获得裂纹尖端塑性区长度。监测过程简单，加上光信号具有较高的灵敏度，因此监测精度较高。35.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。









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