一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋j積分測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測(cè)量方法屬于斷裂力學(xué)及其工程應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測(cè)量方法。測(cè)量方法是通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對(duì)含裂紋缺陷的表面在不同載荷下位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行測(cè)算，獲取位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)信息，并存入Excel中；編寫MATLAB程序，并調(diào)取Excel中的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算，進(jìn)而獲得裂紋J積分值。本發(fā)明將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)、MATLAB技術(shù)與J積分計(jì)算相結(jié)合，通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)獲取裂紋試件的應(yīng)變，再通過MATLAB提取數(shù)字圖像相關(guān)的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算數(shù)值積分，具有效率高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明適用于計(jì)算各類含有微小變形裂紋的彈性和小范圍屈服試件，通用性強(qiáng)。
【專利說明】-種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測(cè)量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于斷裂力學(xué)及其工程應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)及一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積 分測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] J積分是一個(gè)可W定量描述裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的重要斷裂參量，在預(yù) 測(cè)裂紋的穩(wěn)定性與擴(kuò)展方面有著廣泛的應(yīng)用。目前，獲得J積分的方法主要有理論分析、模 型簡(jiǎn)化計(jì)算、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)定等。模型簡(jiǎn)化和數(shù)值模擬均是對(duì)實(shí)際問題的簡(jiǎn)化計(jì)算，與 實(shí)際情況存在一定偏差。理論分析雖然具有很強(qiáng)的嚴(yán)謹(jǐn)性，但是推導(dǎo)過程繁瑣，不便于工程 實(shí)際應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)測(cè)定方法主要有柔度法、光彈法、貼片法等，然而，柔度法無法用于動(dòng)態(tài)測(cè) 量；光彈法實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜，而且無法用于非透明材料的測(cè)量；貼片法繁瑣且測(cè)點(diǎn)有限。數(shù)字 圖像相關(guān)法通過跟蹤匹配試樣變形前后所采集圖像的灰度信息來測(cè)量物體在各種載荷作 用下表面的瞬時(shí)位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。該方法具有非接觸、精度高、光路簡(jiǎn)單、受環(huán)境影響小等 優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域變形測(cè)量的一種非常重要的光測(cè)手段，如胡浩等人的"數(shù) 字圖像相關(guān)法測(cè)量金屬薄板焊接的全場(chǎng)變形"[J].光學(xué)精密工程.2012, 20 (7)，1636-1643。 然而，目前尚缺乏利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量J積分方法的研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)對(duì)J積分測(cè)量存在的問題，發(fā)明了一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的 裂紋J積分測(cè)量方法，即通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對(duì)含裂紋缺陷表面在不同載荷下的位移 場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行測(cè)算，獲取位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)信息并存入Excel中，編寫MTLAB程序并調(diào)取 Excel中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算，進(jìn)而獲得J積分值，具有非接觸、精度高、高效率、 實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測(cè)量方法，其特 征在于，測(cè)量方法是通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對(duì)含裂紋缺陷表面在不同載荷下的位移場(chǎng)和 應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行測(cè)算，獲取位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)信息，并存入Excel中；編寫MTLAB程序，并調(diào)取 Excel中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算，進(jìn)而獲得裂紋J積分值，該方法的具體步驟如下：
[0005] 一、制備拉伸實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行單向拉伸，得到試件材料的應(yīng) 力-應(yīng)變曲線W及彈性模量E，泊松比y，屈服應(yīng)力0。，屈服應(yīng)變e。等材料常數(shù)；
[0006] 二、制備緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件，在拉伸實(shí)驗(yàn)前需要用黑白啞光漆在試件表面制備黑 白相間的散斑，先在試件表面噴涂一層白色啞光漆作為底色鋪墊，待白漆干后再噴灑黑漆， 使其在白色襯底上形成均勻分布的黑色斑點(diǎn)，要求斑點(diǎn)大小適中；在緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表 面制斑后，采集信息之前需要對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)定；采用CCD相機(jī)同步采樣記錄加載過程中，緊 湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面的位移場(chǎng)U、V信息；
[0007] S、利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對(duì)CCD相機(jī)采集所得的圖片信息進(jìn)行計(jì)算處理，將圖 片信息通過算法轉(zhuǎn)化為緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面應(yīng)變場(chǎng)￡.、￡,、丫 U信息；結(jié)合步驟一獲得 的材料常數(shù)，利用胡克定律得到彈性區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)〇i、Oy、T。信息。
[000引四、利用MTLAB編寫程序命令，調(diào)用步驟S，經(jīng)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)計(jì)算所得的數(shù) 值表信息，W及步驟一的材料參數(shù)，運(yùn)行程序，完成裂紋J積分的計(jì)算；
[0009] 利用MTLAB編寫相應(yīng)的程序命令，需要根據(jù)J積分的定義，即，
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測(cè)量方法，其特征在于，測(cè)量方法是通過數(shù)字 圖像相關(guān)技術(shù)，對(duì)含裂紋缺陷的表面在不同載荷下位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行測(cè)算，獲取位移場(chǎng) 和應(yīng)變場(chǎng)信息，并存入Excel中；編寫MATLAB程序，并調(diào)取Excel中的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)值 積分計(jì)算，進(jìn)而獲得裂紋J積分值，該方法的具體步驟如下： 一、 制備拉伸實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行單向拉伸，得到試件材料的應(yīng)力-應(yīng) 變曲線以及彈性模量E，泊松比y，屈服應(yīng)力〇(|，屈服應(yīng)變e^等材料常數(shù)； 二、制備緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件，在拉伸實(shí)驗(yàn)前需要用黑白啞光漆在試件表面制備黑白相 間的散斑，先在試件表面噴涂一層白色啞光漆作為底色鋪墊，待白漆干后再噴灑黑漆，使其 在白色襯底上形成均勻分布的黑色斑點(diǎn)，要求斑點(diǎn)大小適中；在緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面制 斑后，采集信息之前需要對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)定；采用CCD相機(jī)同步采樣記錄加載過程中，緊湊拉 伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面的位移場(chǎng)u、V信息； 三、 利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對(duì)CCD相機(jī)采集所得的圖片信息進(jìn)行計(jì)算處理，將圖片信 息通過算法轉(zhuǎn)化為緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面應(yīng)變場(chǎng)ex、ey、Yxy信息；結(jié)合步驟（1)獲得的 材料常數(shù)，利用胡克定律得到彈性區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)〇x、〇y、Txy信息； 四、 利用MATLAB編寫程序命令，調(diào)用步驟三經(jīng)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)計(jì)算所得的數(shù)值表信 息以及步驟一的材料參數(shù)，運(yùn)行程序，完成裂紋J積分的計(jì)算； 利用MATLAB編寫相應(yīng)的程序命令，需要根據(jù)J積分的定義，即，
式中，r為始于裂紋下表面任一點(diǎn)，止于裂紋上表面的圍繞裂紋尖端的閉合路徑；W為 應(yīng)變能密度， W = /〇ijd e ij (2) 其中〇i」、eu為r路徑上任一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值；T是積分路徑r邊界上的應(yīng)力矢量， 其分量為Ti,U是路徑r上的位移矢量，其分量可表示為Ui，在x，y方向的分量可具體為u， v，dy為y方向的增量，ds為對(duì)應(yīng)于r的積分曲線增量；根據(jù)J積分的路徑無關(guān)性，取r 為一矩形路徑，該路徑一共由5條直線組成，分別是：AB直線①，BC直線②，⑶直線③，DE 直線④和EF直線⑤，其中，A、F為矩形路徑的起止點(diǎn)，B、C、D、E為矩形路徑上的拐點(diǎn)；此時(shí) 有：

這樣，利用路徑r上一系列離散點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力、位移梯度及應(yīng)變能密度，對(duì)公式 (3)?（9)進(jìn)行數(shù)值積分，即可求出裂紋J積分值。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK104502198SQ201510003450
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月5日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月5日
【發(fā)明者】蔣瑋, 黃裕龍, 周璇, 蔣險(xiǎn)峰 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)