一种基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法与流程

1.本发明涉及疲劳裂纹扩展速率试验技术领域，特别是涉及一种基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法。


背景技术：

2.在断裂力学的发展过程中，通常采用近门槛区、稳定裂纹扩展区和不稳定裂纹扩展区来表征疲劳裂纹扩展曲线的三个区域。近门槛区的裂纹扩展速率不易被测量，疲劳裂纹扩展速率随着应力强度因子范围δk的降低而迅速下降，通常用近门槛区δk
th
来表征该区的应力强度因子范围。δk
th
是一些重要结构材料的设计基础，如果在实际应用中，应力强度因子范围δk小于δk
th
，裂纹将不会发生扩展，或者说裂纹扩展无法被监测到，所以疲劳裂纹扩展门槛值δk
th
对于工程设计的应用非常重要。但是有研究表明随着应力比的减小，在这个区域内随着应力强度因子的降低，裂纹闭合现象会越来越明显。
3.早在二十世纪七十年代，国外学者elber w.the significance of fatigue crack closure[j].astm stp,1971,486，首先在论文中提出了有效应力强度因子范围δk
eff
，δk
eff
＝k
max-k
cl
，k
cl
是裂纹闭合时所对应的应力强度因子，k
max
为循环载荷下的最大应力强度因子。从这之后，近门槛区裂纹闭合现象得到广泛的认可，那么得到有效裂纹扩展速率曲线方程对于结构材料的基础设计具有重要的意义。
[0004]
通过疲劳裂纹扩展速率试验，得到裂纹扩展速率和有效应力强度因子范围的关系，对于金属材料结构件安全性能的评估至关重要。按照目前的方法，采用数字图像相关对裂纹尖端闭合效应进行表征和测量困难之处在如何准确地找到发生裂纹闭合时所对应的循环载荷。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法，通过光学引伸计获取疲劳裂纹尖端塑性应变场的变化，通过采集单个循环内的数字图像，确定裂纹发生闭合时的循环载荷，最终得到有效裂纹扩展速率曲线。
[0006]
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
[0007]
一种基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法，该方法包括以下步骤：
[0008]
s1，加工试样，在加工好的试样表面制备散斑；
[0009]
s2，将试样装卡在疲劳试验机上，调节ccd相机的位置，并进行焦距调节，最后选择合适的校正板进行相机校正；
[0010]
s3，进行裂纹扩展速率试验，基于vic-snap采集软件，输入图像采集时间间隔，并采集试样的散斑图像；
[0011]
s4，裂纹扩展速率试验完成后，导入散斑图像，对实验数据进行处理得到实验的全场应变数据，并输出目标区域的全场应变数据；
[0012]
s5，选取采集某一个循环周次内的一系列数字图像，对图像中裂纹尖端区域添加
虚拟引伸计，测量裂纹两侧像素点的位移场变化趋势；
[0013]
s6，重复s5的过程，对不同裂纹长度所对应的循环周次内的数字图像分析，每一循环周次内所对应的载荷-位移曲线中的拐点，找到该点所对应的载荷，计算出裂纹发生闭合时所对应的应力强度因子，最终计算得到有效应力强度因子范围。
[0014]
进一步的，所述步骤s1中，加工试样，在加工好的试样表面制备散斑，具体包括：
[0015]
针对所研究的金属材料，参照美标astm e647-15
ε1
，加工标准紧凑拉伸试样，试样宽度为50mm，厚度为12.5mm，试样初始的切口长度为10mm，切口高度为2mm；
[0016]
在试样表面制备散斑，先采用白色哑光漆对试样表面进行喷涂，厚度要适中，然后应用黑色哑光漆在底漆上制备散斑。
[0017]
进一步的，所述步骤s2中，将试样装卡在试验机上，调节ccd相机的位置，并进行焦距调节，最后选择合适的校正板进行相机校正，具体包括：
[0018]
将试样装卡在试验机上，进行设备调节，主要调节ccd相机的位置，使试样表面与ccd相机垂直，避免离面位移；
[0019]
进行焦距调节，打开光源，将ccd相机的光圈调至最佳位置，并配合vic-snap采集软件上的曝光时间将图像调节至最清晰的程度；
[0020]
选择合适的校正板，将校正板放置于试样所在的位置上，保证校正板整体清晰明亮，不出现曝光过度、过暗、模糊现象。
[0021]
进一步的，所述步骤s6中，有效应力强度因子范围的计算表达式如下：
[0022][0023]
α＝a/w
[0024]
式中，p
max
为最大应力，n；p0为裂纹闭合效应下的应力，n；b为试样的厚度，mm；w为试样的宽度，mm；a为裂纹长度，mm。
[0025]
进一步的，所述步骤s6还包括：对于不同循环周次下的裂纹长度，分别计算不同裂纹长度下的有效应力强度因子范围，最终得到da/dn与δk
eff
的关系方程，即为有效裂纹扩展速率方程。
[0026]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法，通过光学引伸计获取疲劳裂纹尖端塑性应变场的变化，通过采集单个循环内的数字图像，确定裂纹发生闭合时的载荷，最终得到有效裂纹扩展速率曲线方程。本发明采用裂纹尖端两侧应变场的云图更能够形象地表征裂纹闭合现象，将抽象问题可视化，能够准确地计算出发生裂纹闭合时所对应的有效应力强度因子范围。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本发明基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法流程示意图；
[0029]
图2a为本发明试样的主视图；
[0030]
图2b为本发明试样的侧视图；
[0031]
图3为本发明试样目标区域全场应变图和裂纹尖端添加虚拟引伸计图；
[0032]
图4为本发明裂纹尖端两侧位移场变化图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
本发明的目的是提供一种基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法，通过光学引伸计获取疲劳裂纹尖端塑性应变场的变化，通过采集单个循环内的数字图像，确定裂纹发生闭合时的循环载荷，最终得到有效裂纹扩展速率曲线。
[0035]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0036]
如图1所示，本发明提供的基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法，包括以下步骤：
[0037]
s1，加工试样，在加工好的试样表面制备散斑；具体包括：
[0038]
针对所研究的金属材料，参照美标astm e647-15
ε1
，加工标准紧凑拉伸试样，如图2a和2b所示试样形状，试样宽度为50mm，厚度为12.5mm，试样初始的切口长度为10mm，切口高度为2mm；加工时不允许冷作硬化及过车，试样表面不应有划痕、损伤及锈蚀，试样表面的粗糙度不高于0.8；
[0039]
在试样表面制备散斑，先采用白色哑光漆对试样表面进行喷涂，厚度要适中，然后应用黑色哑光漆在底漆上制备散斑；通常黑色斑点的大小为3个像素左右；
[0040]
s2，将试样装卡在疲劳试验机上，调节ccd相机的位置，并进行焦距调节，最后选择合适的校正板进行相机校正；具体包括：
[0041]
将试样装卡在试验机上，进行设备调节，主要调节ccd相机的位置，使试样表面与ccd相机垂直，避免离面位移；
[0042]
进行焦距调节，打开光源，将ccd相机的光圈调至最佳位置，并配合vic-snap采集软件上的曝光时间将图像调节至最清晰的程度；
[0043]
选择合适的校正板，将校正板放置于试样所在的位置上，保证校正板整体清晰明亮，不出现曝光过度、过暗、模糊现象；
[0044]
s3，进行裂纹扩展速率试验，基于vic-snap采集软件，输入图像采集时间间隔，并采集试样的散斑图像；
[0045]
s4，裂纹扩展速率试验完成后，导入散斑图像，对实验数据进行处理得到实验的全场应变数据，并输出目标区域的全场应变数据；
[0046]
s5，选取采集某一个循环周次内的一系列数字图像，对图像中裂纹尖端区域添加虚拟引伸计，如图3所示，测量裂纹两侧像素点的位移场变化趋势；裂纹尖端两侧位移场变
化如图4所示；
[0047]
s6，重复s5的过程，对不同裂纹长度所对应的循环周次内的数字图像分析，每一循环周次内所对应的载荷-位移曲线中的拐点，找到该点所对应的载荷，计算出裂纹发生闭合时所对应的应力强度因子，最终计算得到有效应力强度因子范围。
[0048]
其中，有效应力强度因子范围的计算表达式如下：
[0049][0050]
α＝a/w
[0051]
式中，p
max
为最大应力，n；p0为裂纹闭合效应下的应力，n；b为试样的厚度，mm；w为试样的宽度，mm；a为裂纹长度，mm。
[0052]
所述步骤s6还包括：对于不同循环周次下的裂纹长度，分别计算出不同循环周次下的裂纹长度所对应的有效应力强度因子范围，得到da/dn与δk
eff
的关系方程，即为有效裂纹扩展速率方程:
[0053]
da/dn＝cδk
effm
[0054]
式中，da/dn为裂纹扩展速率，mm/cycle；δk
eff
为有效应力强度因子范围，c和m均为常数。
[0055]
综上，本发明提供的基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法，通过光学引伸计获取疲劳裂纹尖端塑性应变场的变化，通过采集单个循环内的数字图像，确定裂纹发生闭合时的载荷，最终得到有效裂纹扩展速率曲线；与柔度法相当，本发明采用裂纹尖端两侧应变场的云图更能够形象地表征裂纹闭合现象，将抽象问题可视化，能够准确地计算出发生裂纹闭合时所对应的有效应力强度因子范围。
[0056]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。