基于無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的鋁合金材料疲勞損傷研究*

白 石， 周 智， 歐進(jìn)萍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

研究與探討

基于無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的鋁合金材料疲勞損傷研究*

白 石1， 周 智2， 歐進(jìn)萍1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

鋁合金材料具有重量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料，在諸多領(lǐng)域(如飛行器設(shè)計(jì)與制造、建筑裝飾等)中占有十分重要的地位。然而，其抗疲勞性能較差，在交變荷載作用下容易產(chǎn)生疲勞裂紋和發(fā)生疲勞破壞。提出了一種基于無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)的鋁合金材料疲勞損傷研究方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測了鋁合金構(gòu)件的疲勞應(yīng)變，并實(shí)時(shí)分析了構(gòu)件的疲勞損傷狀況，為研究鋁合金材料的疲勞性能提供了可借鑒性的方法。

6061—T6鋁合金； 疲勞； 雨流計(jì)數(shù)法； 數(shù)字信號處理器； 無線傳感器

0 引 言

鋁合金材料具有密度小、比強(qiáng)度高、彈性好、抗沖擊韌性好、耐腐蝕、耐磨性好以及回收再生性高等特點(diǎn)，在工程領(lǐng)域內(nèi)，一直被認(rèn)為是“希望金屬”，鋁工業(yè)一直被認(rèn)為是“朝陽工業(yè)”[1,2]。目前，鋁合金材料被廣泛應(yīng)用于航天航空、交通運(yùn)輸、建筑裝飾、機(jī)械電器、能源動(dòng)力、文體衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料。然而，大多數(shù)鋁合金材料對裂紋的敏感性很高，在交變荷載作用下容易產(chǎn)生疲勞裂紋和發(fā)生疲勞破壞。因此，研究鋁合金材料的疲勞性能顯得十分有意義。目前，對于鋁合金材料疲勞性能的研究主要以常規(guī)疲勞試驗(yàn)的方法為主，這種方法實(shí)時(shí)滯后，且耗費(fèi)大量物力與財(cái)力。在疲勞監(jiān)測研究領(lǐng)域，國內(nèi)外發(fā)展了多種方法與技術(shù)，其中，利用渦流傳感器監(jiān)測鋁合金疲勞試樣疲勞損傷的方法[3]，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測宏觀疲勞裂紋，且靈敏度較高；利用紅外熱成像技術(shù)監(jiān)測疲勞裂紋的方法[4]，能夠通過試件疲勞失效過程中溫度的變化，監(jiān)測裂紋的擴(kuò)展過程；利用光纖Bragg光柵(FBG)傳感器監(jiān)測鋁合金試件裂紋擴(kuò)展信息的方法[5]，能夠較準(zhǔn)確地判斷裂紋源的位置，但只能對預(yù)制的缺陷進(jìn)行監(jiān)測；聲發(fā)射技術(shù)[6,7]能夠快速地捕捉疲勞裂紋信息，但易受環(huán)境噪聲影響；超聲檢測技術(shù)[8,9]存在表面“盲區(qū)”，且檢測效率較低。

本文對6061-T6鋁合金構(gòu)件的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用所提出的無線疲勞監(jiān)測系統(tǒng)[10]，實(shí)時(shí)監(jiān)測了鋁合金構(gòu)件的疲勞應(yīng)變,并實(shí)時(shí)分析了疲勞損傷狀況，為研究鋁合金材料的疲勞性能提供了可借鑒性方法。

1 系統(tǒng)工作機(jī)理

應(yīng)力幅值、應(yīng)力均值和循環(huán)次數(shù)是表征疲勞荷載歷程的特征參數(shù)，采用一定的循環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)對于這些參數(shù)的統(tǒng)計(jì)。在國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展的多種循環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)方法中，雨流計(jì)數(shù)法是被廣泛采用的一種方法。從理論上，該方法認(rèn)為疲勞損傷發(fā)生的必要條件是材料發(fā)生塑形變形；從方法實(shí)現(xiàn)上，該方法通過峰谷值提取、無效幅值去除、幅值均值區(qū)間劃分及循環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)等步驟，實(shí)現(xiàn)對于疲勞荷載響應(yīng)時(shí)程曲線的簡化，簡化結(jié)果為一個(gè)二維的循環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)矩陣。

本文系統(tǒng)采用雨流計(jì)數(shù)法對鋁合金構(gòu)件疲勞響應(yīng)的特征參數(shù)進(jìn)行提取，并采用成熟的疲勞累積損傷理論對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞性能進(jìn)行評價(jià)，結(jié)合電子與微處理器技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件集成，并采用無線發(fā)射與接收技術(shù)實(shí)現(xiàn)結(jié)果的發(fā)送。

2 系統(tǒng)硬件集成

如圖1所示，對該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)[11]，包括：電阻應(yīng)變前端處理模塊、DSP模塊、無線采集與傳輸模塊、電源模塊等4個(gè)部分。系統(tǒng)感知探頭單元采用電阻應(yīng)變計(jì)，它具有穩(wěn)定性高、線性好、價(jià)格低廉、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，已經(jīng)在應(yīng)變監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1 系統(tǒng)硬件組成Fig 1 Constitution of system hardware

系統(tǒng)工作時(shí)，首先，前端處理模塊對電阻應(yīng)變計(jì)采集的信號進(jìn)行處理，主要功能包括：信號放大、濾波和惠斯登電橋解調(diào)。其次，利用DSP對前端處理模塊中的信號進(jìn)行循環(huán)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，得到關(guān)于各應(yīng)變幅值和應(yīng)變均值的循環(huán)數(shù)二維矩陣；最后，通過無線發(fā)送模塊將結(jié)果可靠地傳輸出去，并由用戶端接收。

3 鋁合金構(gòu)件疲勞監(jiān)測試驗(yàn)

3.1 材料選擇與試驗(yàn)裝備

本試驗(yàn)采用6061—T6鋁合金板，厚度為3 mm，試件實(shí)測彈性模量為44.5 GPa。圖2為該材料的疲勞特征曲線(S-N曲線),圖3為疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖2 6061—T6鋁合金材料S-N曲線Fig 2 S-N curve of 6061—T6 aluminum alloy material

圖3 疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)Fig 3 Fatigue test system

3.2 試件設(shè)計(jì)

考慮試驗(yàn)裝備對疲勞試件的加載方式為懸臂梁式彎曲加載，根據(jù)激振器的輸出能力范圍和材料的彈性模量，結(jié)合材料的S-N曲線(圖2)，實(shí)現(xiàn)對6061—T6鋁合金構(gòu)件的尺寸設(shè)計(jì)，如圖4所示。

在對構(gòu)件進(jìn)行加工時(shí)，參考GB/T 4337—2008《金屬材料疲勞試驗(yàn)旋轉(zhuǎn)彎曲方法》[12]，為了減小機(jī)械加工對試件產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和加工硬化的影響，在制作過程中使試件表面質(zhì)量盡可能均勻一致，并采用磨削對試件進(jìn)行精加工。

圖4 構(gòu)件設(shè)計(jì)Fig 4 Design of component

對試件進(jìn)行了ANSYS有限元分析。采用ANSYS中Solid 45單元，對試件進(jìn)行建模，并按位移加載方式進(jìn)行分析，得到了的構(gòu)件應(yīng)力分布情況，如圖5所示。計(jì)算得到的最大正應(yīng)力為219 MPa，通過與圖3中S-N曲線的對比，可以看出：此構(gòu)件尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)方式能夠滿足疲勞試驗(yàn)最大應(yīng)力的要求。從而說明了這種設(shè)計(jì)方式的合理性和可行性。圖6為構(gòu)件的實(shí)物圖。

圖5 構(gòu)件應(yīng)力分布Fig 5 Stress distribution of component

圖6 構(gòu)件實(shí)物圖Fig 6 Physical map of component

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

激振器為對稱振幅加載，因此,應(yīng)力比R=-1。取5個(gè)試件，由最高應(yīng)力水平開始，逐級降低應(yīng)力水平。本文系統(tǒng)以電阻應(yīng)變計(jì)為感知探頭，采用半橋連接方式實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償；通過內(nèi)嵌的雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)各級應(yīng)力水平下試件達(dá)到破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)；同時(shí)，設(shè)定無線收發(fā)模塊每16 s發(fā)送一次循環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并由PC端接收。

表1為應(yīng)力幅值150 MPa情況下，在隨機(jī)選取的若干個(gè)時(shí)間點(diǎn)上系統(tǒng)對試件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的試驗(yàn)結(jié)果。可以看出：系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性好。本試驗(yàn)中，結(jié)合6061—T6鋁合金材料的S-N曲線，采用Miner線性累積損傷準(zhǔn)則，可以實(shí)時(shí)的對構(gòu)件的疲勞損傷情況進(jìn)行監(jiān)測。

表1 構(gòu)件疲勞累積損傷實(shí)時(shí)監(jiān)測Tab 1 Real-time monitoring on fatigue cumulative damage of component

圖7 構(gòu)件斷口照片F(xiàn)ig 7 Photograph of fracture of component

圖8 構(gòu)件破壞后照片F(xiàn)ig 8 Photograph of damaged component

由表2中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著應(yīng)力幅值的降低，疲勞壽命呈明顯的增長趨勢。圖7為破壞后試件的斷口照片。可以看出:斷口呈不規(guī)則鋸齒狀，這很好地印證了金屬材料在疲勞荷載作用下發(fā)生內(nèi)部晶格重組的現(xiàn)象，也體現(xiàn)了該鋁合金材料具有材料疲勞破壞的一般特性。圖8為試件破壞后照片。

表2 鋁合金構(gòu)件疲勞試驗(yàn)結(jié)果Tab 2 Fatigue test results of aluminum alloy component

將本試驗(yàn)結(jié)果與材料的S-N曲線進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖9所示。可以看出:由本試驗(yàn)測點(diǎn)所體現(xiàn)出的該鋁合金材料的疲勞特性，同一般標(biāo)準(zhǔn)所研究的結(jié)果具有很好的一致性。表2中，在應(yīng)力幅值為120 MPa級別下，構(gòu)件的疲勞破壞次數(shù)超過了200 104次，結(jié)合工程中在定義材料疲勞極限時(shí)的循環(huán)次數(shù)，可認(rèn)為6061—T6鋁合金材料的疲勞極限為120 MPa。

圖9 試驗(yàn)測點(diǎn)與材料S-N曲線對比結(jié)果Fig 9 Comparison result of test points and S-N curve of material

試驗(yàn)結(jié)果表明，在對鋁合金材料的疲勞性能進(jìn)行研究過程中，系統(tǒng)能夠?qū)⒑Ａ康谋O(jiān)測應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)通過雨流計(jì)數(shù)處理為疲勞特征參數(shù)(應(yīng)變幅值、應(yīng)力狀態(tài)和循環(huán)次數(shù))數(shù)據(jù)傳輸，大幅度地縮減了傳輸數(shù)據(jù)規(guī)模；同時(shí)，對于不同的加載級別，系統(tǒng)均能夠?qū)崟r(shí)地、穩(wěn)定地監(jiān)測構(gòu)件的疲勞應(yīng)變并分析構(gòu)件的疲勞損傷，說明了本文方法研究鋁合金材料疲勞性能的可行性。

4 結(jié) 論

1)整個(gè)試驗(yàn)過程中，系統(tǒng)能夠?qū)⒑Ａ康谋O(jiān)測應(yīng)變時(shí)程數(shù)據(jù)通過雨流計(jì)數(shù)處理為疲勞特征參數(shù)(應(yīng)變幅值、應(yīng)力狀態(tài)和循環(huán)次數(shù))數(shù)據(jù)傳輸，大幅度地縮減了傳輸數(shù)據(jù)規(guī)模；

2)對于不同的加載級別，系統(tǒng)均能夠?qū)崟r(shí)地、穩(wěn)定地監(jiān)測構(gòu)件的疲勞應(yīng)變并分析構(gòu)件的疲勞損傷，說明了本文方法研究鋁合金材料疲勞性能的可行性。

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Research on fatigue damage of aluminum alloy material based on wireless fatigue monitoring system*

BAI Shi1, ZHOU Zhi2, OU Jin-ping1

(1.School of Civil Engineering, Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China；2.School of Civil Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

Aluminum alloy is one of the fundamental materials for the development of national economy,its light and high-strength characteristics make it possess a crucial position in application such as aircraft design and fabrication,architectural ornament,and so on.However，due to its poor anti-fatigue performance，it may suffer from fatigue crack as well as fatigue damage under cyclic loadings.Thus，a method for study on fatigue damage of aluminum alloy material based on wireless fatigue monitoring system is proposed,the system real-time monitor on fatigue strain of aluminum alloy component,and real-time analyze fatigue damage situation of component，which provide referential method for research of fatigue property of aluminum alloy materials.

6061—T6 aluminum alloy;fatigue;rain-flow counting method;digital signal processor(DSP); wireless sensor

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0008—03

2014—05—19

國家“973”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB013705)；國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAK02B01)

O 346.2; TP 212.6

B

1000—9787(2014)08—0008—03

白 石(1981-)，男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞應(yīng)變監(jiān)測與分析。