焊接结构疲劳裂纹萌生和扩展行为监测方法及装置

本发明涉及焊接结构疲劳性能监测，尤其涉及一种焊接结构疲劳裂纹萌生和扩展行为监测方法及装置。

背景技术：

1、焊接作为一种坚固的连接方式，广泛的应用于船舶、建筑、航空航天等行业，其焊接性能的强弱至关重要。疲劳作为焊接结构一种常见的失效形式，金属结构的疲劳失效高达90%，因此对于焊接结构疲劳裂纹萌生和扩展行为的观察和监测至关重要。

2、目前我国在焊接结构疲劳性能测试时多是标准小试样，常见的试样厚度为30mm以内。标准小试样尺寸较小，在疲劳裂纹萌生后，小裂纹会以较快的速度向贯穿裂纹转化，可认定为发现贯穿裂纹时疲劳裂纹萌生结束，疲劳裂纹扩展开始。然而对于全壁厚焊接结构，例如海洋平台中的实际焊接结构的全壁厚尺寸最大厚度可达到90mm，由于尺寸较大，存在厚度效应，疲劳裂纹萌生后疲劳小裂纹向贯穿裂纹转化会消耗大部分的疲劳寿命，因此常规标准小试样的疲劳行为无法准确反映全壁厚大尺寸焊接结构的真实疲劳行为。因此亟需一种可以准确的监测全壁厚大尺寸焊接结构的疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹扩展行为的方法。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种焊接结构疲劳裂纹萌生和扩展行为监测方法及装置，以解决目前无法准确反映全壁厚大尺寸焊接结构的真实疲劳行为的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种焊接结构疲劳裂纹萌生和扩展行为监测方法，包括：

3、在大尺寸焊接结构的试样的疲劳热点区域沿预设方向间隔设置单轴应变片，疲劳试验开始后，获取每个单轴应变片对应位置的实时应变信号；

4、基于安装在试样的疲劳热点区域的多个声发射探头的二维定位结果，获取多个声发射探头确定的实时声发射源坐标；

5、根据所述实时应变信号和所述实时声发射源坐标监测试样是否发生疲劳裂纹萌生行为；

6、在监测到试样发生疲劳裂纹萌生行为后，根据所述实时声发射源坐标确定发生疲劳裂纹萌生的位置以及疲劳裂纹萌生后的内部裂纹长度；

7、当所述实时声发射源坐标位于试样边缘时，触发摄像装置采集试样图像，并根据所述试样图像监测试样的贯穿裂纹，所述摄像装置能拍摄到完整的试样轮廓。

8、在一种可能的实现方式中，所述根据所述实时应变信号和所述实时声发射源坐标监测试样是否发生疲劳裂纹萌生行为，包括：

9、判断所述实时应变信号相对于疲劳试验开始时对应位置的初始应变信号的变化是否超过设定阈值，以及所述实时声发射源坐标所处的设定范围内的所有声发射源坐标是否具有聚集性特征；

10、若所述实时应变信号相对于对应位置的所述初始应变信号的变化超过设定阈值，且所述实时声发射源坐标所处的设定范围内的所有声发射源坐标具有聚集性特征，则判断所述实时应变信号对应的位置与所述实时声发射源坐标是否一致；

11、若所述实时应变信号对应的位置与所述实时声发射源坐标一致，则确定发生疲劳裂纹萌生行为。

12、在一种可能的实现方式中，判断所述实时声发射源坐标所处的设定范围内的所有声发射源坐标是否具有聚集性特征，包括：

13、根据所述实时声发射源坐标所处的设定范围内的所有声发射源坐标在预设方向上的坐标值，计算所述设定范围内的所有声发射源坐标的标准差；

14、判断所述标准差是否大于设定标准差阈值；

15、若所述标准差小于或等于所述设定标准差阈值，则确定所述实时声发射源坐标所处的设定范围内的所有声发射源坐标具有聚集性特征；

16、若所述标准差大于所述设定标准差阈值，则确定所述实时声发射源坐标所处的设定范围内的所有声发射源坐标不具有聚集性特征。

17、在一种可能的实现方式中，所述在监测到试样发生疲劳裂纹萌生行为后，根据所述实时声发射源坐标确定发生疲劳裂纹萌生的位置以及疲劳裂纹萌生后的内部裂纹长度，包括：

18、若所述实时应变信号对应的位置与所述实时声发射源坐标一致，则将所述实时声发射源坐标确定为发生疲劳裂纹萌生的位置；

19、在将所述实时声发射源坐标确定为发生疲劳裂纹萌生的位置之后，根据所述实时声发射源坐标所处的设定范围内的最大声发射源坐标和最小声发射源坐标确定疲劳裂纹萌生后的内部裂纹长度。

20、第二方面，本发明实施例提供了一种焊接结构疲劳裂纹萌生和扩展行为监测装置，包括：

21、第一获取模块，用于在大尺寸焊接结构的试样的疲劳热点区域沿预设方向间隔设置单轴应变片，疲劳试验开始后，获取每个单轴应变片对应位置的实时应变信号；

22、第二获取模块，用于基于安装在试样的疲劳热点区域的多个声发射探头的二维定位结果，获取多个声发射探头确定的实时声发射源坐标；

23、第一处理模块，用于根据所述实时应变信号和所述实时声发射源坐标监测试样是否发生疲劳裂纹萌生行为；

24、第二处理模块，用于在监测到试样发生疲劳裂纹萌生行为后，根据所述实时声发射源坐标确定发生疲劳裂纹萌生的位置以及疲劳裂纹萌生后的内部裂纹长度；

25、第三处理模块，用于当所述实时声发射源坐标位于试样边缘时，触发摄像装置采集试样图像，并根据所述试样图像监测试样的贯穿裂纹，所述摄像装置能拍摄到完整的试样轮廓。

26、第三方面，本发明实施例提供了一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器用于调用并运行所述存储器中存储的计算机程序，执行如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述方法的步骤。

27、第三方面，本发明实施例提供了一种焊接结构疲劳裂纹萌生和扩展行为监测系统，包括如上第二方面所述的终端，还包括：疲劳试验机、单轴应变片、应变仪、声发射探头、声发射控制器和摄像装置；

28、在进行疲劳试验前，将大尺寸焊接结构的试样安装在所述疲劳试验机上；

29、通过可调节高度和位置的三脚架，在试样的疲劳热点区域设置所述摄像装置，并使所述摄像装置能够拍摄到完整的试样轮廓；

30、在设置好所述摄像装置后，在试样表面制备灰色散斑，并对所述摄像装置完成对焦操作；

31、采用80目、200目、400目砂纸沿45°方向打磨试样的疲劳热点区域，并使用丙酮擦拭打磨后的疲劳热点区域后，在试样的疲劳热点区域沿预设方向间隔设置所述单轴应变片，并将所述单轴应变片与所述应变仪连接；

32、在打磨后的疲劳热点区域安装多个所述声发射探头，并将所述声发射探头与所述声发射控制器连接；

33、将所述摄像装置、所述应变仪和所述声发射控制器均与所述终端连接。

34、在一种可能的实现方式中，所述单轴应变片与所述应变仪采用四分之一桥式连接方式、半桥式连接方式或全桥式连接方式连接。

35、在一种可能的实现方式中，在打磨后的疲劳热点区域安装多个所述声发射探头，并将所述声发射探头与所述声发射控制器连接之后，还包括：

36、在试样表面30°~45°，使用0.5mmhb铅芯伸出2.5mm，对多个声发射探头进行断铅试验。

37、第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上第一方面或第一方面的任一种可能的实现方式所述方法的步骤。

38、本发明实施例提供一种焊接结构疲劳裂纹萌生和扩展行为监测方法及装置，通过在大尺寸焊接结构的试样的疲劳热点区域沿预设方向间隔设置单轴应变片，疲劳试验开始后，获取每个单轴应变片对应位置的实时应变信号，并基于安装在试样的疲劳热点区域的多个声发射探头的二维定位结果，获取多个声发射探头确定的实时声发射源坐标；进而根据实时应变信号和实时声发射源坐标监测试样是否发生疲劳裂纹萌生行为；并在监测到试样发生疲劳裂纹萌生行为后，根据实时声发射源坐标确定发生疲劳裂纹萌生的位置以及疲劳裂纹萌生后的内部裂纹长度；然后当实时声发射源坐标位于试样边缘时，触发摄像装置采集试样图像，并根据试样图像监测试样的贯穿裂纹，其中，摄像装置能拍摄到完整的试样轮廓。进而可以先基于实时应变信号和实时声发射源坐标监测大尺寸焊接结构的疲劳裂纹萌生和疲劳裂纹萌生后内部裂纹的扩展，在实时声发射源坐标位于试样边缘时，再基于摄像装置监测大尺寸焊接结构的贯穿裂纹，从而可以准确地监测大尺寸焊接结构从疲劳裂纹萌生到疲劳裂纹扩展的真实疲劳行为。而且，在实时声发射源坐标位于试样边缘时再触发摄像装置监测贯穿裂纹，还可以降低监测贯穿裂纹所需的计算量。