[发明专利]一种基于数字图像的裂纹尖端闭合效应测量方法

说明书

本发明公开了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：在加工好的试样表面制备散斑；将试样装卡在疲劳试验机上，调节CCD相机的位置，选择合适的校正板进行相机校正；开始裂纹扩展速率试验，同时打开Vic‑Snap软件采集散斑图像；裂纹扩展速率试验完成后，对采集图像进行分析，得到试样的全场应变数据，推导出不同裂纹长度下的有效应力强度因子范围，最终求得该试验条件下的有效裂纹扩展速率方程。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。

技术领域

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

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。

早在二十世纪七十年代，国外学者Elber W.The Significance of FatigueCrack 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。

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。

发明内容

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。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

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：

S1，加工试样，在加工好的试样表面制备散斑；

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；

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；

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；

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；

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。