基于DIP和DSCM的谐振载荷疲劳裂纹尖端变形场测量与分析

发布时间：2020-09-09 18:30

　　机械零部件失效的最常见形式是疲劳破坏,研究疲劳裂纹萌生、扩展和断裂特性对机械产品的安全、可靠性具有重大意义。材料的断裂特性主要是由裂纹尖端的变形场(裂纹扩展路径、方向、位移场、应变场和裂纹尖端塑性区等)决定的。电磁谐振式疲劳裂纹扩展试验系统由于其工作频率高、能量消耗低、试验时间短、试验波形好等优点被各种力学实验室广泛用来进行材料疲劳试验,研究材料的断裂特性。但由于试件高速振动所产生的惯性效应和应力波传播效应,使得裂纹尖端位移、应变场的理论计算变得非常复杂,目前尚没有发现有效的方法。据此,本文将基于数字图像处理(DIP)的宏观疲劳裂纹检测方法和全场、非干涉的数字散斑相关方法(DSCM)相结合来解决这种高频谐振载荷作用下疲劳裂纹扩展路径、尺寸、疲劳裂纹尖端位移、应变场的测量问题,并在此基础上对裂纹尖端塑性区的形状和尺寸进行了估算,对疲劳裂纹尖端变形场进行了深入的分析。本文的主要工作如下:1.搭建了谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端变形场测量系统,包括电磁谐振式高频疲劳试验系统、试件疲劳裂纹在线检测系统和试件散斑图像在线采集系统,并提出了特征加载位置试件散斑图像的匹配方法。2.提出了一种基于DIP的试件疲劳裂纹检测算法。该方法通过模板匹配和角点检测方法确定裂纹起点,根据试件裂纹图像的子区灰度均方差定位裂纹区域,然后使用自适应阈值分割方法分割出裂纹,最后基于连通域和平滑去噪算法提取出精确的裂纹轮廓,以此得到裂纹长度和裂纹尖端位置。3.介绍了DSCM的基本原理和裂纹尖端位移、应变场测量方法,对不同载荷循环下裂纹尖端的变形场进行了计算和验证。该方法针对裂纹尖端存在不连续区域的情况,采用可靠性路径导向的计算策略。兼顾计算精度和计算速度,在DSCM中采用反向组合高斯牛顿算法进行亚像素位移计算,采用子区最小二乘平面拟合方法计算应变。4.在对裂纹尖端塑性区进行了理论分析的基础上,提出了一种基于Von Mises屈服准则、利用DSCM计算得到的应变场数据的裂纹尖端塑性区形状和尺寸的估算方法,并采用有限元方法对其结果进行了验证。5.进行了谐振式疲劳裂纹扩展试验,测量了高频谐振载荷作用下、裂纹稳态扩展阶段疲劳裂纹的宏观尺寸(裂纹扩展路径、长度、裂纹尖端位置)、一个载荷循环内的裂纹尖端变形场和不同裂纹长度时的裂纹尖端变形幅场,并分析和研究了其变化规律。本文研究结果可为进一步研究高频谐振载荷作用下疲劳裂纹扩展机理和扩展参数的测量奠定基础,具有理论和应用价值。
【学位单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O346;TH17
【部分图文】：

疲劳裂纹扩展,试验方法,裂纹,Ⅰ型裂纹

图 1-1 常规的疲劳裂纹扩展试验方法的试验方法施加外加作用力的不同，实际构件中的裂纹分为三型）裂纹、滑移型（Ⅱ型）裂纹和撕开型（Ⅲ型）裂纹，如图开位移，作用的拉应力垂直于裂纹面；Ⅱ型裂纹在平面内相对裂纹面且垂直于裂纹前缘；Ⅲ型裂纹相对错开，作用的剪应力纹前缘。实际工程构件中Ⅰ型裂纹最为常见，且容易产生低应纹形式，所以Ⅰ型裂纹是多年来试验和理论研究的主体。

基本状态,裂纹

图 1-1 常规的疲劳裂纹扩展试验方法由于不同的试验方法施加外加作用力的不同，实际构件中的裂纹分为三种基本状态张开型（Ⅰ型）裂纹、滑移型（Ⅱ型）裂纹和撕开型（Ⅲ型）裂纹，如图 1-2 所示。裂纹产生张开位移，作用的拉应力垂直于裂纹面；Ⅱ型裂纹在平面内相对滑开，作用应力平行于裂纹面且垂直于裂纹前缘；Ⅲ型裂纹相对错开，作用的剪应力既平行于裂又平行于裂纹前缘。实际工程构件中Ⅰ型裂纹最为常见，且容易产生低应力脆断，是险的一种裂纹形式，所以Ⅰ型裂纹是多年来试验和理论研究的主体。

测量系统,电磁谐振

基于DIP和DSCM的谐振载荷疲劳裂纹尖端变形场测量系统主要由三部分组成，一是电磁谐振式高频疲劳试验系统，二是试件疲劳裂纹在线检测系统，三是试件散斑图像在线采集系统。测量系统的总体装置如图2-1所示。其中电磁谐振式高频疲劳试验系统包括电磁谐振式高频疲劳试验机、试验载荷控制器、紧凑拉伸（CT）试件。试件疲劳裂纹在线检测系统包括CCD相机、微距镜头、光源、图像采集卡和装有图像处理程序的计算机。试件散斑图像在线采集系统主要使用了高速相机。图2-1 测量系统总体装置2.3 测量系统工作原理本文中谐振式疲劳裂纹扩展试验的对象是带有预制裂纹的CT试件，CT试件一面是打磨后的自然金属表面，另一面喷涂有人工散斑，将其安装于电磁谐振式高频疲劳试验机上。在电磁激振器产生的激振力作用下，高频疲劳试验机的振动系统发生共振并将正

【参考文献】