[发明专利]一种动态监测裂纹尖端应力强度因子的方法

说明书

本发明是一种动态监测裂纹尖端应力强度因子的方法，选择有机力致发光材料，制备溶液；在金属试样表面均匀涂敷有机力致发光材料溶液，加热成膜；利用涂覆力致发光材料的拉伸试样标定荧光强度，建立荧光强度与应力的关系曲线；利用涂覆力致发光材料的单边缺口试样进行拉伸实验，采集不同加载力下的裂纹尖端的荧光图像；对荧光图像进行处理，定量获取荧光区域的边界和强度；利用边界上的荧光强度与应力的关系曲线以及根据偏应力准则求解出应力强度因子和T应力；与材料本身的应力强度因子极限Kc进行比较，对在役使用的含缺陷工程结构进行安全评估。本发明可以推广至复杂机械结构或加载条件，对机械结构设计、健康检测具有重要的参考价值。

技术领域

本发明涉及一种利用具有力致响应性质的有机发光材料，动态监测裂纹尖端应力强度因 子的方法。

背景技术

随着全球经济发展，大型复杂构件在航空航天、高铁和汽车等领域广泛应用，为了确保构 件的使用安全性和耐久性，需要对其进行大范围的健康监测和安全评估，对保障人员和设备的 安全具有重要意义。工业应用中的实际结构中往往存在着各种缺陷或者裂纹，从而显著降低结 构材料的实际强度，危害工程结构的正常使用。因此，对其进行快速而准确的分析，动态监测 裂纹尖端的应力强度因子，对工程结构安全性、可靠性和耐久性的评估具有重要意义。构件的 断裂起源于裂纹，而裂纹在外界因素作用下处于静止还是发展，都与裂纹尖端附近的应力场有 直接关系。应力强度因子(K因子)是描述裂纹尖端附近应力场强弱程度的参量，表征着裂纹 扩展能力。根据裂纹的分类：张开型(I型)、滑开型(Ⅱ型)和撕开型(Ⅲ型)，应力强度因 子也分为K_I、K_Ⅱ和K_Ⅲ。

关于应力强度因子的计算方法，主要有解析法、数值解法和实验法三类。解析法中包括复 变函数法、积分变换法、权函数法等，这类方法简单方便，但只能用于解决一些简单问题，然 而在工程实践中，由于整体或部件的形状、应力、裂缝形态的多样性，往往难以在理论上描述 和求解。数值解法包括边界配置法、有限元法。边界配置法是一种半解析的数值解法，限于讨 论直边界问题；有限元法因为不受裂纹体几何或载荷的复杂性限制，被广泛应用，但建模过程 繁琐、工作量大，且由于计算机容量与费用限制，解决一些复杂问题也存在一定困难。因而， 利用实验提取应力强度因子的方法一直备受关注，常用的有电测法、柔度法、光弹性法。电测 法是采用应变片测定尖端附近的应变进而计算应力强度因子，但贴片过程繁琐且限于有限点， 后续拟合工作复杂；柔度法是一种基于能量原理的实验标定方法，精度较高但无法用于动态测 量；光弹性法能够提取全场变形以计算应力强度因子，提高了测量精度，但是实验设备复杂， 只能测量透明材料。

近年来，数字散斑相关方法(Digital Image Correlation(DIC))被广泛应用于求解应力强 度因子。DIC方法是通过搭建光学非接触测量系统，利用被测物体表面变形前后的数字图像灰 度变化来测量位移应变场，得到全场位移，然后利用位移场数据提取出不同载荷作用下裂纹尖 端的应力强度因子。但DIC技术的散斑喷涂和复杂的光学成像系统制约了其在工程上的大范 围应用。另外，DIC对于一些复杂构件的应力/应变检测也有一定局限性。

荧光以其高灵敏度、响应实时、可视化和易于检测的特点，广泛地应用于照明、分析和过 程检测等领域。力致发光变色材料种类众多，主要分为无机材料、金属有机配合物材料与纯有 机材料。利用力致发光现象表征机械变形和损伤是结构健康监测领域发展的重要方向，然后定 量分析机械力诱导产生的荧光强度和范围是亟待解决的难点。利用无机力致发光材料监测机械 部件损伤仅有个例。中国发明专利“一种利用荧光量子点检测和监控机械部件裂纹的方法”(发 明专利申请号：CN 201210586280公开号：CN 103901003 A)公开了一种基于无机量子点的荧 光响应检测机械部件的疲劳裂纹方法。金属有机配合物材料与纯有机材料力致发光材料虽然报 道的种类众多，但是由于其力致发光要求很大的压力或摩擦力，并且难于和金属构件结合，因 此工程应用寥寥无几(化学学报76(2018)246–258)。因此利用有机力致发光材料进行机械损 伤评定是非常困难的。