[发明专利]一种焊接构件疲劳应力及应变实时非接触式监测方法

说明书

技术领域

本发明属于实验力学，具体涉及一种焊接构件疲劳应力及应变实时非接触式监测方法。

背景技术

焊接连接作为建筑钢结构以及风电结构塔筒等结构的主要连接方式得到了广泛的应用，其承受着各连接部件之间的交变荷载作用，在拉、压交变载荷作用下，直接影响结构的安全性。焊缝的疲劳强度远低于母材的疲劳强度，焊缝失效的主要形式为疲劳，焊缝的抗疲劳性在很大程度上取决于焊缝的宏观和微观几何形状，影响焊缝疲劳强度的因素很多，比如应力幅值、平均应力、焊接残余应力等，因此对焊缝疲劳应力的监测至关重要。如焊缝疲劳应力状态发生变化不能及时被发现,则会影响结构的正常工作,严重者将造成巨大的人员财产损伤。目前，针对焊缝疲劳应力状态的在线的监测与研究仍处于空白阶段，对于焊接疲劳分析方法是通过有限元分析软件来计算焊缝处的应力，但是存在应力对有限单元类型、网格形状及尺寸敏感等问题；传统的监测结构应力应变状态的方法通常是在关键部位贴应变来获取相关信息，但是对于接触式传感器不方便安装的部分，例如焊缝及其焊趾处，由于所关心的焊缝部位应变片的布置受到焊缝的几何形状和空间位置的限制，应变片一般只能在离开焊缝位置一定距离处进行粘贴，而且粘贴应变片的数量也受到限制，这使得通过这种接触式的传感器只能监测有限位置以及便于粘贴的位置，而对于不便于粘贴的位置以及任何位置处的应力应变情况则受到限制，为了得到构件的应力应变只能采用某些假设，比如均匀性假设，这在有些情况下可能得到错误的结果，也就不能真实的反映焊缝服役期间在疲劳荷载作用下真实的应力分布规律和发展情况。因此有必要发展一种能用于不便于安装接触式应力应变传感器而且需要掌握构件任何位置处应力应变分布规律以及演化规律的非接触监测技术。

国内外在焊缝检测的自动化和智能化研究方面，主要集中于将机器视觉系统用在焊缝内部缺陷和焊缝跟踪上，主要是针对焊缝质量评判进行了大量的研究与探讨，然而关于对于焊缝疲劳应力的监测却未有报道。

发明内容

本发明针对现有技术中为解决接触式传感器对于焊接构件不便于安装接触式传感器的部位的应力应变监测分布规律以及疲劳应力应变演化规律问题，提出一种焊接构件疲劳应力及应变实时非接触式监测方法。

本发明采用的技术方案：一种焊接构件疲劳应力及应变实时非接触式监测方法，包括如下步骤：

(1)在焊接构件上设置网格线，所述网格线的交点为监测点；

首先对焊接构件用与构件颜色对比明显的彩色笔沿着构件横向和纵向按照构件的大小以及监测截面的大小确定网格间距，划分网格，将每个网格的交点作为应力、应变监测点，该交点在图像处理过程中表现为多个像素点的集合，将该集合作为一个微元体；

(2)采用监测系统将焊接构件在疲劳荷载过程中待测区域的动态图像进行采集，并将图像信息传输；

所述监测系统包括CCD传感器、镜头、图像采集卡、图像处理系统；用CCD传感器和镜头采集焊接构件在疲劳荷载过程中监测点的一系列动态变形图像，CCD传感器将其接收到的光学图像转化成视频信号输出给图像采集卡，图像采集卡再将数字信号转化成数字图像信息供图像处理系统进行处理；

(3)将得到的监测点图像进行像素点匹配；

每一个监测点疲劳荷载过程中，宏观上便显出细微的变化，镜头每次采集图像的像素点数尺寸固定，微观尺度上则表现为所占的像素点在数目的不同，对相同监测点不同时间的图像进行像素与像素的匹配，获得每一个监测点在每一时刻的像素数目的变化；

(4)根据监测点中像素点的变化，利用ε_i＝ΔL_i/L_i计算监测点应变值，其中ε_i为应变值，ΔL_i为长度变化值，L_i为监测区的长度值，进而确定整个待测区域表面监测点位置的应变分布规律；

将待测区域连续的应变分布离散化成求解每个监测点的应变值，当网格的划分足够精细时，计算出每一个监测点在不同时刻的应变值就近似获得疲劳荷载过程中的应变的分布情况；

(5)根据所述应变值，利用σ_i＝Eε_i计算监测点应力，其中，σ_i为应力值，E为弹性模量，进一步得到待测区域的监测点应力分布情况及其疲劳演化规律；