[发明专利]一种在线测量有机玻璃疲劳裂纹扩展的方法

说明书

一种在线测量有机玻璃疲劳裂纹扩展的方法，属于疲劳断裂力学测试技术和数字图像技术领域。本发明采用透射式焦散线光学技术，利用CCD相机在线并连续地采集不同疲劳循环周次下含裂纹有机玻璃试件裂纹尖端附近焦散斑图像及裂纹扩展过程，通过对计算机缓存区中的焦散斑图像实时进行图像处理和条件选择，计算裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子；本发明采用的焦散线光学测试技术是非接触实时测量，直观性强，几何光学模式简单，应力强度因子容易计算，数据处理方便，试验结果精确可靠；本发明与传统疲劳裂纹扩展测量方法相比，省去了每次人工测量裂纹长度及求解应力强度因子范围的繁琐工序，避免了裂纹长度停机测量对试验结果的影响。

技术领域

本发明涉及一种在线测量有机玻璃疲劳裂纹扩展的方法，属于疲劳断裂力学测试技术和数字图像技术领域。

背景技术

疲劳裂纹扩展速率是反映含裂纹构件抗疲劳断裂的一个重要指标，也是估算构件疲劳裂纹扩展寿命必不可少的参数。裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子范围之间存在着关系，大量疲劳裂纹扩展试验表明疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子范围在双对数坐标系下具有三个阶段的特征，即较低应力强度因子范围时的近门槛区扩展阶段、中间应力强度因子范围的稳定扩展阶段和较高应力强度因子范围的快速趋于断裂韧度阶段。

传统的测量有机玻璃疲劳裂纹扩展的方法主要是在一定疲劳循环周次下人为地采用显微裂纹测量仪对裂纹长度进行读数，通过循环载荷幅度与应力强度因子范围之间的经验关系公式，利用疲劳过程中记录的循环载荷计算应力强度因子范围，之后得到裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子范围之间的关系公式。传统方法中人工测量裂纹长度及求解应力强度因子范围的工序繁琐，裂纹长度需要停机进行测量，同时在较高应力强度因子范围的快速趋于断裂韧度阶段很难对裂纹长度进行有效的测量。亟待针对有机玻璃疲劳裂纹扩展问题提出一种实时有效地测量方法，能更为方便地测量裂纹扩展速率与应力强度因子范围的定量关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种在线测量有机玻璃疲劳裂纹扩展的方法，使其能更为方便地测量裂纹扩展速率与应力强度因子范围的定量关系，克服现有传统方法中存在的需要停机进行测量所造成的测量工序复杂、数据处理不便以及测量结果不准确的缺陷，从而实现实时有效地对有机玻璃疲劳裂纹扩展的测量。

本发明的技术方案如下：

一种在线测量有机玻璃疲劳裂纹扩展的方法，所述方法采用的透射式焦散线测试系统包括激光光源、扩束镜、第一成像透镜、分划板、第二成像透镜、CCD相机以及计算机；激光光源发出的激光透过扩束镜后，经第一成像透镜折射变为平行光，穿过承受疲劳载荷作用的含裂纹有机玻璃试件后再经过第二成像透镜汇聚，由CCD相机接收成像，最终将采集的图像传输至计算机；对有机玻璃试件进行疲劳裂纹扩展试验前，利用分划板调节焦散线试验光路，试验过程中将分划板移除；

所述方法包括如下步骤：

1)使激光光源发出的光依次穿过扩束镜、第一成像透镜、承受疲劳载荷作用的含裂纹有机玻璃试件以及第二成像透镜，最终由CCD相机接收光线成像，使CCD相机所采集的有机玻璃试件裂纹尖端附近焦散斑图像的像素竖直方向与裂纹方向一致；

2)调节透射式焦散线试验光路，标定图像空间分辨率：在含裂纹有机玻璃试件与第二成像透镜之间放置一分划板，分划板与有机玻璃试件表面的距离为z₀，调节CCD相机的位置和焦距，使分划板上的标记图案在CCD相机视场中间最清晰，然后移除分划板，对含裂纹有机玻璃试件拍一幅图像，作为参考图像，根据有机玻璃试件边界等标识信息与像素的对应关系确定图像空间分辨率L，同时确定疲劳裂纹扩展过程中裂纹长度及裂尖附近焦散斑所在像素区域的范围，将此区域定义为图像处理区域；

3)设置CCD相机的采集频率与疲劳载荷的频率相同，疲劳试验开始后，疲劳载荷第一次达到最大值时，疲劳循环周次N等于0，此时利用CCD相机开始在线并连续地采集不同疲劳循环周次下含裂纹有机玻璃试件的裂纹尖端附近焦散斑图像及裂纹扩展过程，并存储至计算机缓冲区；