一种测量裂纹尖端张开角的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机械工程和断裂失效故障诊断领域，具体地，涉及一种测量裂纹尖端张开角的方法。
【背景技术】
[0002]近年来，我国油气管道运输迅猛发展，在给国家提供能源供应有力保障的同时，管道断裂失效事故可能给人民的生命财产安全带来严重威胁，因此必须明确诊断断裂失效的原因并采取措施防止断裂事故的发生。
[0003]描述裂纹扩展的准则多种多样，其中裂纹尖端张开角由于其直观、物理意义明确而具有很强的吸引力，尤其对于管道裂纹，在其稳态扩展过程中裂纹尖端张开角趋于定值这一重要特征更使得裂纹尖端张开角准则备受关注。所谓裂纹尖端张开角就是两断裂面在裂纹尖端处的夹角。裂纹尖端张开角的测量一般通过断裂力学实验获得，在裂纹扩展过程中拍摄照片然后进行测量。然而，由于裂纹扩展速度快难以获得清晰照片、裂纹尖端不容易发现和确定等原因，准确获得裂纹尖端张开角一直是个难题。同时，由于摄像设备只能拍摄到试样的外表面，因此更无法获得试件内部裂纹尖端张开角。难以准确获取裂纹扩张过程中的裂纹尖端张开角大大限制了这一断裂准则的应用。从查阅的文献资料看，目前尚未有利用断口来进行裂纹尖端张开角测量的相关报道。
【发明内容】
[0004]为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种测量裂纹尖端张开角的方法，利用计算机重建三维断口并逆向模拟断裂过程，在断裂过程模拟时测量裂纹尖端张开角，以解决断裂实验过程中难以准确获得裂纹尖端张开角的难题。
[0005]为实现上述目的，本发明采用下述方案:
[0006]测量裂纹尖端张开角的方法，包括下述步骤:
[0007]1、对断裂失效构件的上断口面和下断口面利用非接触式三维激光显微镜进行扫描检测；
[0008]2、录入上断口面和下断口面高度数据，并基于断口表面高度数据，建立断口三维丰旲型；
[0009]3、将上断口面沿宽度方向进行翻转；
[0010]4、将上断口面镜像并将其与下断口面匹配，通过准确匹配，可以得到人工初始裂纹、拉伸塑性变性和压缩塑性变形，将配对的断口进行投影可以得到断裂面投影；
[0011]5、提取断口横截面得到上断口截面轮廓和下断口截面轮廓，横截面上配好对的上断口预裂纹应该与下断口预裂纹完全吻合；
[0012]6、分别将上断口截面轮廓和下断口截面轮廓旋转、移动从而模拟裂纹扩展过程。
[0013]相对于现有技术，本发明具有如下有益效果:
[0014](I)、使用方便、操作简单，易于广大工程技术人员掌握和使用。
[0015](2)、无需在断裂实验过程中对断裂过程进行观测和摄像，仅需在断裂事故发生后对断口进行三维检测，提取断口表面信息。
[0016](3)、避免了由于难以获得清晰图像以及无法准确判断裂纹尖端真实位置等原因造成的裂纹尖端张开角数值偏差。
[0017](4)、通过提取中间截面可以获得试件中部裂纹尖端张开角，这是利用常规方法无法得到的。
[0018](5)、通过编写程序，可以实现整个过程的智能化、规范化，也可避免人为因素的干扰。
【附图说明】
[0019]图1是断口二维I旲型不意图；
[0020]图2a、图2b、图2c、图2d、图2e是断裂过程模拟示意图；
[0021]图3是裂纹尖端张开角测量示意图；
[0022]图中:1、上断口面，2、下断口面，3、人工初始裂纹，4、断裂面投影，5、拉伸塑性变形，6、横截面，7、压缩塑性变形，8、上断口截面轮廓，9、上断口预裂纹，10、下断口截面轮廓，11、下断口预裂纹，12、裂纹尖?而张开角，13、裂纹尖?而，14、规定距尚，15、裂纹初始尖立而。
【具体实施方式】
[0023]如图1、图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图3所示，测量裂纹尖端张开角的方法，包括下述步骤:
[0024]1、对断裂失效构件的上断口面I和下断口面2利用非接触式三维激光显微镜进行扫描检测；
[0025]2、录入上断口面I和下断口面2高度数据，并基于断口表面高度数据，建立断口三维模型，如图1所示；
[0026]3、将上断口面I沿宽度方向进行翻转；
[0027]4、将上断口面I镜像并将其与下断口面2匹配，如图1所示，通过准确匹配，可以得到人工初始裂纹3、拉伸塑性变性5和压缩塑性变形7，将配对的断口进行投影可以得到断裂面投影4 ;
[0028]5、提取断口横截面6得到上断口截面轮廓8和下断口截面轮廓10，横截面6上配好对的上断口预裂纹9应该与下断口预裂纹11完全吻合，如图2c所示；
[0029]6、分别将上断口截面轮廓8和下断口截面轮廓10旋转、移动从而模拟裂纹扩展过程，如图2d所不；
[0030]裂纹扩展过程模拟过程中，首先确定上断口截面轮廓8和下断口截面轮廓10的交点即裂纹尖端13，然后分别确定裂纹尖端13后规定距离14处上断口截面轮廓8和下断口截面轮廓10上的点，将此两点分别与裂纹尖端13连线，两连线间夹角即为裂纹尖端张开角12，如图3所示，至此，实现对裂纹尖端张开角12的测量。
[0031 ] 基于步骤6所述方法，在裂纹扩展的不同阶段，如图2d所示，计算裂纹尖端张开角12，即可获得裂纹尖端张开角12随裂纹扩展的变化规律；
[0032]通过截取试样沿宽度方向不同位置处的横截面6，如图1所示，重复步骤5至步骤8，即可获得沿试样宽度方向不同位置处裂纹尖端张开角12随裂纹扩展的变化规律。
【主权项】
1.一种测量裂纹尖端张开角的方法，其特征在于，包括下述步骤: (1)、对断裂失效构件的上断口面和下断口面利用非接触式三维激光显微镜进行扫描检测； (2)、录入上断口面和下断口面高度数据，并基于断口表面高度数据，建立断口三维模型； (3)、将上断口面沿宽度方向进行翻转； (4)、将上断口面镜像并将其与下断口面匹配，通过准确匹配，可以得到人工初始裂纹、拉伸塑性变性和压缩塑性变形，将配对的断口进行投影可以得到断裂面投影； (5)、提取断口横截面得到上断口截面轮廓和下断口截面轮廓，横截面上配好对的上断口预裂纹应该与下断口预裂纹完全吻合； (6)、分别将上断口截面轮廓和下断口截面轮廓旋转、移动从而模拟裂纹扩展过程。
2.根据权利要求1所述的测量裂纹尖端张开角的方法，其特征在于，裂纹扩展过程模拟过程中，首先确定上断口截面轮廓和下断口截面轮廓的交点即裂纹尖端，然后分别确定裂纹尖端后规定距离处上断口截面轮廓和下断口截面轮廓上的点，将此两点分别与裂纹尖端连线，两连线间夹角即为裂纹尖端张开角。
3.根据权利要求1-2所述的测量裂纹尖端张开角的方法，其特征在于，在裂纹扩展的不同阶段，计算裂纹尖端张开角，即可获得裂纹尖端张开角随裂纹扩展的变化规律。
4.根据权利要求1-2所述的测量裂纹尖端张开角的方法，其特征在于，通过截取试样沿宽度方向不同位置处的横截面，重复步骤5至步骤6，即可获得沿试样宽度方向不同位置处裂纹尖端张开角随裂纹扩展的变化规律。
【专利摘要】本发明涉及一种测量裂纹尖端张开角的方法，该方法包括下述步骤：对断裂失效构件的上断口面和下断口面进行扫描检测；录入上断口面和下断口面高度数据，并基于断口表面高度数据，建立断口三维模型；将上断口面沿宽度方向进行翻转；将上断口面镜像并将其与下断口面匹配，通过准确匹配，可以得到人工初始裂纹、拉伸塑性变性和压缩塑性变形，将配对的断口进行投影可以得到断裂面投影；提取断口横截面得到上断口截面轮廓和下断口截面轮廓，横截面上配好对的上断口预裂纹应该与下断口预裂纹完全吻合；分别将上断口截面轮廓和下断口截面轮廓旋转、移动从而模拟裂纹扩展过程。本发明使用方便、操作简单，易于广大工程技术人员掌握和使用。
【IPC分类】G01B11-26, G01N21-95, G06F19-00
【公开号】CN104567739
【申请号】CN201410852013
【发明人】曹宇光, 甄莹, 贺娅娅, 黄小光, 林红, 徐国强, 张士华, 孙晓瑜, 胡雪扬, 聂文俊
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月31日