【学术成果】李玉坤科研团队在压入-压痕技术装置开发方面取得新进展

近日，我院工程力学系李玉坤科研团队在压入-压痕技术装置开发方面取得新进展，该装置已申请国家专利，第一发明人为李玉坤副教授，中国石油大学（华东）为第一申请人。该装置不影响被测材料结构的完整性，测量结果形象直观，为在役管道（含承压容器）材料力学性能与表面应力状态测试的成功实施提供了可靠方案。

测量工作状态下管道的应力水平是评价管道安全状态的重要依据，目前常用的无损应力测试方法如超声波法、矫顽力法等需要基于标定试验，但标定试验所用的管材与多年运行的管道管材力学性能存在差异，导致应力测量结果准确性无法评估；若采用单轴拉伸试验或小冲杆试验确定多年运行管道管材力学性能，就需要对在役管道进行破坏性取样，威胁管道运行安全。

（a）采集系统获取载荷-位移曲线	（b）采集系统获取压痕三维形貌
采集系统获取数据

为实现同时采集管道管材力学性能和管道表面应力状态，李玉坤科研团队基于压入-压痕技术，结合压痕载荷-位移曲线和残余压痕形貌特征共同识别材料力学性能和表面应力状态，提出了一套测试材料力学性能与表面应力状态的方法，研制出了适用于现场的一体化工业化装置，并开发了压入-压痕采集系统。

压入-压痕装置主要包括3个模块：

（1）底座模块。该模块包含开关磁铁、球铰及固定支撑件。该模块通过开关磁铁将装置牢固吸附于被测材料表面，通过调节球铰改变开关磁铁吸附角度，可保证装置适用于小曲率的被测材料。

（2）压入模块。压入模块包含行星减速步进电机、载荷传感器、位移传感器、球形压头及其它起到连接、限位功能的部件。通过该模块中的载荷传感器和位移传感器采集球形压头压入被测材料过程中的载荷和位移数据，绘制得到载荷-位移曲线，为后续的分析提供数据依据。

（3）压痕扫描模块。压痕扫描模块包含精密位移滑台、激光扫描传感器及其它固定件。该模块通过精密位移滑台控制激光扫描传感器单轴移动，实现残余压痕的三维形貌观测。

双轴应力压入-压痕试验

压痕有限元仿真

为保证测量方法与压入-压痕装置测试的准确性，李玉坤科研团队通过双轴应力压入试验和压痕有限元仿真等对所提出的方法进行了验证校核，结果表明：压痕载荷-位移曲线可以表征材料力学性能，残余压痕三维形貌可以表征结构应力状态。李玉坤科研团队开发的压入-压痕装置无需对在役管道进行取样，可直接在管道本体进行力学性能和表面应力状态测定，以评估当前在役管道的承载力和安全裕度。该装置实现了材料力学性能和应力状态测定的一体化平台，操作简单，便于携带，测试准确性高，在在役管道（含承压容器）的现场安全评估方面有较好的实用性和应用前景。