一种在线测量有机玻璃疲劳裂纹扩展的方法

摘要

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。

主权项

一种在线测量有机玻璃疲劳裂纹扩展的方法，所述方法采用透射式焦散线光学测试系统，该系统包括激光光源(1)、扩束镜(2)、第一成像透镜(3)、分划板(4)、第二成像透镜(5)、CCD相机(6)以及计算机(7)；激光光源(1)发出的激光透过扩束镜(2)后，经第一成像透镜(3)折射变为平行光，穿过承受疲劳载荷(P)作用的含裂纹有机玻璃试件(8)后再经过第二成像透镜(5)汇聚，由CCD相机(6)接收成像，最终将采集的图像传输至计算机(7)；其特征在于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的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)调节透射式焦散线测试系统，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；4)在线计算应力强度因子范围ΔK及裂纹长度a：对计算机缓存区中的每幅图像进行实时图像处理，在步骤2)所确定的图像处理区域中，首先对图像沿像素水平方向从左至右扫描各像素点灰度值，利用灰度插值的方法得到水平方向的灰度值分布，获得灰度值最高的两点的像素差值d_i，i表示扫描过程中第i行，确定所有行中像素差值的最大值d_max，即为焦散斑横向最大直径所对应的像素，利用图像空间分辨率L得出横向最大直径D，则应力强度因子范围ΔK表示为：$\Delta K=\left\{\begin{array}{cc}\frac{2\sqrt{2\pi }}{3{\left(3.17\right)}^{5/2}{z}_{0}ct}{D}^{5/2}(1-R),& R>0\\ \frac{2\sqrt{2\pi }}{3{\left(3.17\right)}^{5/2}{z}_{0}ct}{D}^{5/2},& R\le 0\end{array}\right.$其中c为材料的应力光学常数，n为材料的折射率，t为有机玻璃试件厚度，R为应力比；然后对图像处理区域沿像素竖直方向从上至下扫描各像素点灰度值，利用灰度插值的方法得到竖直方向的灰度值分布，获得灰度值第一次达到极大值的像素与图像处理区域下边界像素的差值s_j，j表示扫描过程中第j列，确定所有列中像素差值s_j的最大值s_max，则裂纹的长度为a表示为：a＝s_max/L‑0.527D5)利用差分方法对步骤4)中在线得到的随疲劳循环周次N变化的裂纹长度a进行数据处理，获得裂纹扩展速度da/dN，在双对数坐标系下利用差分方法获得疲劳裂纹扩展速率da/dN对应力强度因子范围ΔK的二阶导数X；6)利用在线得到随疲劳循环周次N变化的裂纹扩展速度da/dN、应力强度因子范围ΔK和二阶导数X的试验数据对计算机缓存区中的焦散斑图像进行实时地条件选择：在疲劳裂纹扩展试验开始阶段，选择条件为裂纹扩展速度增量，当裂纹扩展速度增量达到10^‑8m/周到10^‑7m/周时，存储此时的焦散斑图像及对应的试验数据；当二阶导数X的绝对值X＝0时，疲劳裂纹进入稳定扩展阶段，选择条件发生改变，此时当应力强度因子范围ΔK增量达到0.01MPa·m^1/2到0.1MPa·m^1/2时，存储一幅焦散斑图像及所对应的试验数据；当二阶导数X>0时，疲劳裂纹进入快速趋于断裂韧度阶段，选择条件再次发生改变，此时当裂纹扩展速度增量达到10^‑6m/周到10^‑5m/周时，存储一幅焦散斑图像及对应的试验数据；对其它不满足选择条件的图像及试验数据在缓存区中进行清除；选择条件裂纹扩展速度增量和应力强度因子范围增量根据疲劳试验裂纹扩展速度及应力强度因子范围的理论值确定；7)对步骤6)中所存储的焦散斑图像及对应的试验数据进行实时监测。