專利名稱：多缺陷材料m積分的無(wú)損測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種力學(xué)參量——M積分的無(wú)損測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
在多缺陷材料損傷力學(xué)研究中，圍繞缺陷的M積分，表征了該缺陷自相似擴(kuò)展的能量釋放率。作為一種材料斷裂韌性參數(shù)，可廣泛應(yīng)用于航空航天器及大量工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。其定義表達(dá)式如下
M = (WxiIii - Gk]uk PCiHj yis (/', k, j = 1,2)( 1 )
C其中w = OijE J1’ σ kJ, ε ^uk和叫分別為材料應(yīng)變能密度、應(yīng)力、應(yīng)變、位移和圍繞缺陷閉合積分路徑C的外法向矢量；其中Ukii為位移對(duì)相關(guān)坐標(biāo)Xi的偏微分。類似于 J積分，M積分也是一種路徑無(wú)關(guān)積分，其值不依賴于路徑選取。經(jīng)過幾十年的研究，M積分作為一個(gè)可以表征材料中各種微觀缺陷及其演化的力學(xué)參量，在材料損傷及結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估中發(fā)揮著重要作用。實(shí)驗(yàn)測(cè)量M積分值，需要測(cè)量沿積分路徑的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)及應(yīng)變能分布等力學(xué)量。針對(duì)M積分參量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法研究，目前國(guó)內(nèi)外還幾乎是空白。King和 Herrmann[King, R.B.and Herrmann, G. (1981)Nondestructive Evaluation of the J and M-integrals, ASME Journal of Applied Mechanics，48，83-87]針對(duì)兩種簡(jiǎn)單的單裂紋 (單邊裂紋和中心裂紋)，提出了一種無(wú)損測(cè)量M積分的方法。該方法將處于均勻遠(yuǎn)場(chǎng)載荷作用下裂紋場(chǎng)的解析解帶入M積分表達(dá)式，通過簡(jiǎn)化，得到該裂紋形態(tài)下M積分的簡(jiǎn)化表達(dá)式，進(jìn)而通過應(yīng)變片和位移傳感器等測(cè)量手段，得到M積分值。其方法具有明顯不足之處 (1)該方法只能針對(duì)特殊損傷形式，即存在解析解的單裂紋。而材料中的缺陷通常很復(fù)雜， 既包括單裂紋，也包括不同形式分布的多裂紋或裂紋群，同時(shí)也可能涉及其他損傷形式如孔洞、夾雜等。對(duì)于這些通常難于找到解析解的缺陷形式，后續(xù)的簡(jiǎn)化及推導(dǎo)過程將變得十分困難。( 理論上的缺陷，該方法是建立在一系列的簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)之上的。因此，從理論上來(lái)說，它推導(dǎo)出的參量不是一個(gè)嚴(yán)格的精確解。(3)該方法利用傳統(tǒng)的應(yīng)變片和位移傳感器測(cè)量試件的應(yīng)變及位移，并且需要選取特殊的積分路徑計(jì)算M積分，其測(cè)量手段受制于試件及測(cè)量壞境限制，很難廣泛推廣應(yīng)用。另外，隨著實(shí)驗(yàn)力學(xué)以及相關(guān)的計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)被發(fā)展起來(lái)并逐漸運(yùn)用于材料和結(jié)構(gòu)的變形測(cè)量中。應(yīng)用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)對(duì)多缺陷材料的位移場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，其方法最重要的特征就是采用數(shù)字化的記錄方式以充分利用計(jì)算機(jī)的處理能力，具有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、實(shí)時(shí)的可視化顯示和高精度的特點(diǎn)，從而提高了變形測(cè)試的效率。它主要利用圖像相關(guān)方法來(lái)分析受載荷作用下的試樣表面數(shù)字圖像數(shù)據(jù)(物體表面的隨機(jī)分布的散斑點(diǎn)記錄在數(shù)字圖像中)，即利用數(shù)字圖像的灰度值模式來(lái)精確測(cè)定變形 (位移)。具有光路簡(jiǎn)單、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低、對(duì)光源要求低(激光、普通自然白光或者普通照明均可)、對(duì)測(cè)量范圍可以任意制定等特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)以往技術(shù)所存在的問題，通過數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)，提供了一種通過直接測(cè)量材料表面位移場(chǎng)，進(jìn)而得到材料表面應(yīng)變場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，并通過M積分的定義表達(dá)式， 選取任意閉合路徑進(jìn)行數(shù)值積分，進(jìn)而求得M積分值的方法，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、適用缺陷對(duì)象寬泛、測(cè)量計(jì)算簡(jiǎn)便、載荷可以任意加載等特點(diǎn)。為達(dá)到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的一種多缺陷材料M積分的無(wú)損測(cè)量方法，其特征在于，包括下述步驟(1)針對(duì)二維構(gòu)件存在的復(fù)雜形勢(shì)微缺陷群損傷試件，為了增加數(shù)字散斑的灰度對(duì)比值，首先將試件表面噴涂成隨機(jī)分布的散斑狀態(tài)，設(shè)置ARAMIS兩鏡頭夾角為25°，用 MTS設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行加載。(2)通過一組成角度的黑白鏡頭記錄加載過程的試件表面狀態(tài)，利用三維數(shù)字圖像相關(guān)軟件計(jì)算每一對(duì)照片所對(duì)應(yīng)變形狀態(tài)下的位移場(chǎng)Ux和uy。(3)使用均值濾波器手段處理含有噪聲的位移場(chǎng)，以得到平滑數(shù)據(jù)；將平滑處理后的位移場(chǎng)在兩坐標(biāo)軸方向上用三次樣條曲線進(jìn)行擬合，求其梯度，得到位移場(chǎng)沿兩個(gè)坐
標(biāo)方向的導(dǎo)數(shù)duxldx,duyldy,duyldx私辦；根據(jù)材料的幾何方程

權(quán)利要求
1. 一種多缺陷材料M積分的無(wú)損測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟(1)針對(duì)二維構(gòu)件存在的復(fù)雜形式微缺陷群損傷的試件，首先將試件表面噴涂成隨機(jī)分布的散斑狀態(tài)，設(shè)置ARAMIS兩鏡頭夾角為25°，用MTS設(shè)備對(duì)試件進(jìn)行加載；(2)通過成夾角25°的ARAMIS鏡頭記錄加載過程的試件表面狀態(tài)，利用三維數(shù)字散斑相關(guān)軟件計(jì)算每一對(duì)照片所對(duì)應(yīng)加載下的變形位移場(chǎng)Ux和Uy ；(3)使用均值濾波器手段處理含有噪聲的位移場(chǎng)，以得到平滑數(shù)據(jù)；將平滑處理后的位移場(chǎng)在兩坐標(biāo)軸方向上用三次樣條曲線進(jìn)行擬合，求其梯度，進(jìn)而得到位移場(chǎng)沿兩個(gè)坐標(biāo)方向的偏導(dǎo)數(shù)duxldx, dUyldy, duy/dx和根據(jù)材料的幾何方程計(jì)算求得試件表面的應(yīng)變場(chǎng)εχχ，eyy, ε xy ；通過線彈性材料的本構(gòu)方程獲得試件表面的應(yīng)力狀態(tài)σχχ， oyy, Qxy ；進(jìn)而獲得試件表面的應(yīng)變能密度分布W= σχχ ε J2+ ο yy ε yy/2+ σ xy ε xy ；(4)選取圍繞缺陷的任意閉合積分路徑，將路徑上所有點(diǎn)的應(yīng)力、位移梯度、應(yīng)變及應(yīng)變能密度狀態(tài)代入M積分定義表達(dá)式，通過數(shù)值積分插值算法，計(jì)算得到M積分值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多缺陷材料M積分的無(wú)損測(cè)量方法，通過數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)，利用光學(xué)測(cè)量設(shè)備ARAMIS 4M(GOM mbh)測(cè)得試件表面的位移場(chǎng)；通過均值濾波器對(duì)位移場(chǎng)進(jìn)行平滑處理，并利用三次樣條擬合求得位移場(chǎng)沿兩個(gè)坐標(biāo)軸的梯度；通過材料本構(gòu)方程，計(jì)算材料表面應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)變能密度分布；代入M積分的定義表達(dá)式，選取包含缺陷的任意閉合路徑，通過數(shù)值積分計(jì)算M積分值。該方法適用于各種不同的缺陷及缺陷群，可用于評(píng)估航天、航空、機(jī)械等領(lǐng)域各種形式的材料損傷與結(jié)構(gòu)完整性。
文檔編號(hào)G01N3/00GK102519783SQ201110401438
公開日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月6日
發(fā)明者于寧宇, 李群, 陳宜亨 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)