[发明专利]一种基于DIP和DICM的疲劳裂纹长度在线检测方法

说明书

一种基于DIP和DICM的疲劳裂纹长度在线检测方法，将DIP与DICM技术相结合，首先采用DIP对裂纹轮廓及扩展路径进行估算，然后基于DIP裂纹尖端检测结果通过DICM并利用虚拟引伸计对裂纹尖端位移场进行计算，精确得到裂纹尖端，进而计算得到相关裂纹参数。本发明可以得到精确的裂纹长度及其尖端坐标，通过优化，可以在提高疲劳裂纹试验精度的同时而又不增加硬件的成本，是一种精确有效而且经济的方法。

技术领域

本发明属于金属疲劳试验领域，提供了一种疲劳裂纹长度检测的方法，适用于金属疲劳试验过程中的裂纹精确检测。

背景技术

疲劳裂纹扩展试验作为探索机械零部件及结构疲劳失效的重要方式，其试验结果的准确性对分析和研究疲劳裂纹萌生、扩展以及断裂具有十分重要的影响。 CT(CompactTension)试件是疲劳裂纹扩展试验中最常用的试件，众多的研究者采用CT试件进行疲劳试验对材料的各种性能进行研究。在研究过程中就需要对试件裂纹的长度进行测量，目前广泛使用的检测手段是基于数字图像处理的检测技术，具有实时在线、测量精度高、性价比高以及操作简单等优点。

基于数字图像处理(DIP，Digital Image Processing)的裂纹检测过程主要完成裂纹图像的采集、预处理、阈值分割以及特征提取等，在此过程中处理算法的合理选择对检测精度具有重要的影响。目前，国内外众多学者已将数字图像处理技术应用到裂纹检测中，并取得了比较好的效果。邹轶群等提出了一种基于数字图像处理技术的表面裂纹算法，实现了裂纹位置、长度等特征的精确检测。胡建林等通过设计飞机板件裂纹检测软件，研究了相关裂纹检测的算法实现。杨攀等将数字图像处理技术应用到螺纹零件头部裂纹检测，克服了传统Hought圆检测的偏心问题。Salman等提出了一种基于Gabor滤波器的裂纹自动识别方法，可以实现裂纹不同方向的检测。Yamaguchi等提出了一种基于渗透图像处理的有效裂纹检测方法，采用模板匹配技术提取与待测点相似的邻域像素，通过计算所构成区域圆形度大小来判断该点是否为裂纹。

数字图像相关法(DICM，Digital Image Correlation Method)是一种用于测量固体材料和结构表面变形场的非干涉光学测量方法。它是数字图像处理和数值计算相结合的产物，其通过比较变形前后试件散斑表面灰度变化，计算得到试件表面位移及应变信息，是一种简单高效的变形测量方法。DICM具有非接触、全场测量的特点，在固体力学实验领域，可实现在不同载荷、材料以及尺寸下物体表面变形场的直接测量，其相比于传统光测力学方法，具有设备简单、对光源及测量环境要求低及测量范围可调等优点。DICM在各种材料和结构表面的变形测量、物体参数表征以及力学理论验证等方面获得了成功的应用。1989年，Russell等第一次采用DICM测量复合材料含裂纹试件的二维应变场。刘宝琛等在国内首次将 DICM应用在材料断裂研究中，以材料的自然纹理作为散斑场，获得了在不同加载条件下韧性金属材料裂纹尖端的应变场。潘兵等提出了一种基于改进的DICM 测量含缺陷试样全场变形的方法，通过对试件散斑表面无效区域进行隔离来避免非连续区域的影响。同年，Helm等改进了DICM，在多裂纹扩展问题中以拟正则分布的圆点作为试件表面散斑，通过增加相关函数的连续性来检测试件表面不连续区域，该方法能得到裂纹尖端位置，但由于引入的小圆点散斑标记使得配准误差较高。

基于DIP的裂纹检测技术主要用于脆性材料裂纹的检测，而在金属及合金韧性材料裂纹精确测量方面应用很少，这主要由于金属表面裂纹尖端附近灰度与背景灰度接近，使得传统DIP检测存在困难。基于DICM的裂纹检测技术主要根据位移场的变化来检测裂纹，存在由于非连续区域而造成位移场计算的误差，且相关算法复杂。

在疲劳裂纹扩展试验中，试件刚度随疲劳裂纹长度的扩展而减小，而试件刚度的变化将会引起系统工作稳定性和动态特性发生变化，为了更好的分析疲劳试验机系统的性能和试验结果的准确性，需要精确测量疲劳裂纹的长度。而由于金属等韧性材料的特性，其裂纹尖端灰度与背景灰度十分接近，导致传统DIP技术所检测出的裂纹长度精度不高，进而影响实验精度。

发明内容