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动应力检测

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发布时间：2025-07-14 19:27:00 更新时间：2025-07-13 19:27:00

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

动应力检测：保障结构安全与设备可靠性的关键

动应力检测是指对结构或机械部件在动态载荷（如振动、冲击、循环载荷、旋转载荷等）作用下，其内部产生的随时间变化的应力状态进行测量和分析的过程。与静态应力不同，动应力具有时变性、周期性或随机性，是导致材料疲劳损伤、结构断裂失效的主要原因之一。准确检测动应力对于评估结构或设备的动态性能、预测疲劳寿命、优化设计、保障运行安全以及进行故障诊断具有至关重要的意义。它广泛应用于航空航天、轨道交通（如高铁、地铁）、桥梁工程、风力发电、重型机械、压力容器、船舶海洋工程等领域，是确保关键设备和基础设施在复杂服役条件下长期可靠运行的核心技术手段。

检测项目

动应力检测的核心项目通常包括：

动态应力幅值：应力随时间变化的最大波动范围，是评估疲劳强度的关键参数。
平均应力：动应力信号在一个完整周期或规定时间段内的平均值，影响材料的疲劳极限。
应力频率：应力变化的频率（Hz），与激励源频率和结构固有特性相关。
应力谱：通过统计分析（如雨流计数法）得到的应力幅值与出现频次的关系，用于精确的疲劳寿命分析。
动态应力集中系数：在结构突变处（如孔、槽、焊缝）的动态应力峰值与名义应力的比值。
残余应力动态变化：在动态载荷下，焊接或加工产生的残余应力可能发生松弛或重分布。

检测仪器

动应力检测主要依赖于高灵敏度、高响应速度的传感与采集设备：

电阻应变片：最常用、最成熟的传感器。将应变转换为电阻变化。需配合动态应变仪使用。
动态电阻应变仪：为应变片提供稳定桥压，并将微弱的电阻变化信号放大并转换为电压信号。核心是其载波频率和带宽需满足动态信号要求。
加速度传感器：常与应变片配合使用，测量结构振动加速度，用于载荷识别或验证模型。
数据采集系统：高速、高精度的数据采集卡（DAQ）或专用动态信号分析仪。关键指标包括采样率（远高于被测信号最高频率的2倍以上）、分辨率（如24位）、抗混叠滤波性能和数据存储深度。
光纤光栅传感器：利用光栅波长变化感知应变和温度。抗电磁干扰、耐腐蚀、适合长距离分布式测量。
光电/激光测量系统：如数字图像相关法，可非接触式测量全场变形和应变。

检测方法

动应力的测量需遵循特定的方法流程：

测点规划：基于结构分析（如FEA）、经验或故障模式，确定应力关键部位（如应力集中区、焊缝、螺栓连接处）布置传感器。
表面处理与贴片：对被测点表面进行严格清洁、打磨、划线定位，使用专用胶水和工艺粘贴应变片，并进行防潮、绝缘保护（如涂防护胶）。
组桥与接线：根据测量需求（单点、半桥、全桥）连接应变片，采用短导线并固定好，尽量减小导线摆动引入的噪声。
系统标定：连接应变仪和采集系统，进行电桥平衡、灵敏系数设定、增益设置，必要时进行现场标定（如施加已知小载荷）。
载荷施加与数据采集：在结构实际运行状态或实验室模拟工况（如振动台、疲劳试验机）下，以足够高的采样率同步采集应变信号和其他相关信号（加速度、转速、载荷等）。需确保采样率满足奈奎斯特采样定理。
信号处理与分析：
- 滤波：使用低通、带通或带阻滤波器消除噪声干扰（如50/60Hz工频干扰）。
- 转换：将应变信号转换为应力信号（σ = E * ε， E为材料弹性模量）。
- 时域分析：计算峰值、谷值、均值、均方根值（RMS）等。
- 频域分析：通过快速傅里叶变换将应力信号从时域转换到频域，分析其频率成分（频谱分析）。
- 统计分析：对长时间的动应力信号进行雨流计数，编制应力谱，用于疲劳寿命评估。
结果评估与报告：将测量结果与设计允许值、材料疲劳极限（S-N曲线）或相关标准进行对比，评估结构安全性或疲劳寿命，形成检测报告。

检测标准

动应力检测需要遵循一系列国际、国家或行业标准，确保数据的准确性和可比性：

传感器与仪器标准：
- ISO 5347: 振动与冲击传感器校准方法系列标准。
- ASTM E251: 电阻应变片性能测试的标准方法。
- JJG 623-2005 (中国)：电阻应变仪检定规程。
测量方法标准：
- ASTM E1949: 使用电阻应变片进行动态应变测量的标准指南。
- ISO 7626: 机械振动与冲击 - 通过测量结构上的加速度确定动态力的试验方法。
- GB/T 13992-2010 (中国)：金属粘贴式电阻应变计。
数据处理与评估标准：
- ASTM E1049: 分析疲劳数据的循环计数标准实践（雨流计数法）。
- ISO 12107: 金属材料 - 疲劳试验 - 统计规划和结果分析。
- DIN 45667: 机械振动评价测量（德国标准，广泛应用）。
- 相关行业特定标准：如航空领域的SAE ARP 6461 (应变片测试指南), 铁路行业的EN 13749 (转向架结构强度要求), 风电行业的IEC 61400 (风电机组设计要求)等，其中都包含对动应力测试和评估的具体要求。