结构材料疲劳谱载在线测试仪

疲劳试验,是解决疲劳设计,进行疲劳寿命计算的基础。以前的疲劳试验是对复杂的结构分部试验,进行理想化的加载,或是模拟加载。这种试验条件往往与结构的复杂外界条件及动态变化相差甚远,要模拟整体结构动态条件下的疲劳试验是十分困难或根本不可能,并且疲劳试验费用昂贵,花费时间长。尽管疲劳问题的试验和研究已经历了一个多世纪,但至今仍未得到彻底解决,极需进行广泛、深入的研究[1,2]。

计算机科学技术的发展,大大促进了对疲劳损伤的研究。本文阐述了运用8031单片机构成实时测量系统,将主机、显示器、键盘、微型打印机等全部装在一个仪器箱内,构成一台便携式测量仪器。这一仪器可对铁路钢轨、桥梁、机车、飞机、坦克、汽车等进行现场实时动态测量,获得大量荷载数据,运用国际先进的雨流计数法等随机数据处理方法获得统计数据,从而可依此编制疲劳谱载,确定材料疲劳损伤的程度,计算疲劳寿命,进行疲劳设计、安全评价等。运用这种测试方法,可立即得到测试结果,这将减轻测试人员的劳动强度,缩短测试周期,降低测试费用,解决了复杂构件的试验问题。

1　测量原理及系统硬件结构

通常,作用在构件或设备上的载荷是随机的,这种载荷所引起的动态应变不能用明确的数学关系来描述。这种随机应变,虽然无法预测它在未来某个时刻的值,但在大量的重复试验中又表现出一定的统计规律性,所以可用概率统计方法来描述和研究,根据其统计特性来研究决定构件的疲劳强度等问题。动态应变测量和静态应变测量一样,一般是以电阻应变片作为敏感元件,测量时把它粘贴在被测构件的表面上,使构件表面的应变转换为应变片电阻值的变化,通过电桥电路转换为输出电压的变化,送计算机检测、处理。

该系统采用8031单片机,晶振6 MHz,程序存储器64 kB,基本数据存储器64 kB,扩展数据存储器7×64 kB,通过开关选择扩展数据存储器。16路被测信号经传感器、多路转换器、精密放大器、A/D转换器送到CPU。测量数据、统计分析结果,可经微型打印机打印输出,也可经LED(数码管)显示器显示。键盘输入数据或实施控制,蜂鸣器报告异常情况。

2　软件设计方法

根据硬件原理及功能,制定出软件设计任务。在单片机应用系统中,软件设计的任务变得更为繁重。首先进行软件任务分析,作出全面的总体规划。对监控软件和执行软件作出合理的功能分配,对各个模块进行功能定义和接口定义。根据系统特点,进行容错和抗干扰设计。

3　软件包设计

疲劳寿命的测算及实验结果的可靠性在很大程度上取决于疲劳谱载的测定。载荷谱的编制涉及问题十分广泛,仅计数法就有十几种之多,同一种载荷时间历程用不同的计数法进行统计处理,就会得到不同的计数结果。用来进行寿命估算将会得到不同的疲劳寿命。编制载荷谱,究竟选用哪种方法更符合实际情况,国内外尚未得到解决。不过自70年代以来,国内外一个明显的倾向是双参数计数法,其代表是雨流计数法。从技术原则上看,雨流法与材料的应变迟滞回线相一致;从疲劳观点上看,它能够比较全面的反映随机谱载的全过程。随着计算机技术的发展,雨流法在实际工作中得到越来越广泛的应用和重视。与此同时,峰值计数法、变程计数法、变程对—均值计数法在实际中的应用也十分普遍。在本系统的软件设计中,尽量满足不同计数法统计处理的要求,设计了峰值计数法(包括全峰值计数法和跨均值计数法)、变程计数法、变程对—均值计数法及雨流计数法等统计处理程序,对某一时间历程,可以选用任一种或几种方法进行处理,计数结果可直接用于疲劳分析和寿命估算。系统程序框图如图1所示。