一種測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種數(shù)字梯度敏感方法和高速攝影相結(jié)合測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋長(zhǎng) 度及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的裝置和方法，屬于光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)、疲勞/斷裂力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域， 尤其涉及一種測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 有機(jī)玻璃在制造、加工和裝配過程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定的缺陷（如銀紋、微 裂紋等）服役期間在載荷/環(huán)境共同作用下局部應(yīng)力集中的缺陷部位將形成裂紋，當(dāng)裂紋 擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)會(huì)導(dǎo)致有機(jī)玻璃的快速破裂。因此有必要對(duì)有機(jī)玻璃疲勞裂紋進(jìn)行監(jiān)測(cè) 和測(cè)量。目前，對(duì)有機(jī)玻璃的疲勞裂紋測(cè)量方法主要是使用電測(cè)法測(cè)量應(yīng)變變化，或者是使 用顯微鏡觀察裂紋長(zhǎng)度和擴(kuò)展情況。但是，電測(cè)法由于要貼應(yīng)變片不僅工序較為繁瑣而且 會(huì)對(duì)有機(jī)玻璃本身產(chǎn)生一定的損傷，顯微鏡觀察法則無(wú)法表征裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變信息。因 此亟待開發(fā)一種光學(xué)非接觸測(cè)量技術(shù)，能更為方便和精確的測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋長(zhǎng)度及 裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子演化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋長(zhǎng)度及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子 的實(shí)驗(yàn)裝置及方法，通過數(shù)字梯度敏感技術(shù)和高速攝影相結(jié)合的方法，使其能對(duì)有機(jī)玻璃 材料的裂紋長(zhǎng)度及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行精確測(cè)量。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0005] 1)利用包括計(jì)算機(jī)、C⑶相機(jī)、疲勞試驗(yàn)機(jī)、冷光源以及散斑標(biāo)志物的試驗(yàn)裝置， 測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，其方法包括如下步驟，首先將所述的計(jì)算機(jī)、 CCD相機(jī)設(shè)置在疲勞試驗(yàn)機(jī)左側(cè)；將有機(jī)玻璃試驗(yàn)件置于疲勞試驗(yàn)機(jī)上，所述的冷光源以 及散斑標(biāo)志物設(shè)置在疲勞試驗(yàn)機(jī)右側(cè)；CCD相機(jī)和冷光源通過控制線路與計(jì)算機(jī)連接；
[0006] 2)在散斑標(biāo)志物表面噴上黑白相間的漆斑，作為散斑點(diǎn)；
[0007] 3)在計(jì)算機(jī)中安裝數(shù)字圖像相關(guān)方法軟件和MATLAB軟件；
[0008] 4)利用疲勞試驗(yàn)機(jī)將有機(jī)玻璃試驗(yàn)件固定，使有機(jī)玻璃試件的平面朝向CCD相 機(jī)；
[0009] 5)打開冷光源，使光均勻照射在散斑標(biāo)志物表面；
[0010] 6)將(XD相機(jī)通過有機(jī)玻璃試件對(duì)準(zhǔn)有機(jī)玻璃試驗(yàn)件后面的散斑標(biāo)志物，調(diào)節(jié) CCD相機(jī)的位置和焦距，使散斑標(biāo)志物上的散斑點(diǎn)在CCD相機(jī)視場(chǎng)中成清晰的圖像，并用計(jì) 算機(jī)標(biāo)定在圖像中每一毫米對(duì)應(yīng)多少個(gè)像素點(diǎn)，拍一幅照片；
[0011] 7)按試驗(yàn)要求，用疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)有機(jī)玻璃試驗(yàn)件進(jìn)行加載，在疲勞載荷作用達(dá)到 試驗(yàn)要求周次后，利用CCD相機(jī)再拍一幅照片；
[0012] 8)用計(jì)算機(jī)中的數(shù)字圖像相關(guān)方法軟件計(jì)算出放置有機(jī)玻璃試件前后疲勞載荷 作用前后的X方向和Y方向的散斑場(chǎng)變化，再通過MATLAB軟件得出疲勞載荷作用前后的X 方向和Y方向的光線偏轉(zhuǎn)角，得出有機(jī)玻璃試件裂紋位置及裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布；
[0013] 9)由光線偏轉(zhuǎn)角利用下列公式反推裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子：
[0014] 假設(shè)(^和Φ y分別為X方向和Υ方向的光線偏轉(zhuǎn)角，利用有機(jī)玻璃試件中距裂紋 尖端的距離為r的光線偏轉(zhuǎn)角，通過下式反推裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子
[0017] 其中C。= -ο. 9X 10 WmVN為有機(jī)玻璃的光力學(xué)常數(shù)，B為試驗(yàn)件厚度，（r，Θ )為 裂紋尖端極坐標(biāo)，1為I型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。
[0018] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果：本發(fā)明采用的數(shù)字梯度相 干技術(shù)是非接觸測(cè)量，和傳統(tǒng)電測(cè)方法相比，省去了每次都要貼應(yīng)變片的繁瑣工序，更為方 便簡(jiǎn)單；對(duì)于非接觸光學(xué)測(cè)量方法，本發(fā)明相比傳統(tǒng)方法增加了數(shù)字梯度敏感算法，使求得 的裂紋尖端位置及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子更加精確。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0020] 圖中：1-計(jì)算機(jī)；2-CCD相機(jī)；3-疲勞試驗(yàn)機(jī)；4-有機(jī)玻璃試驗(yàn)件；5-冷光源； 6_剛性散斑標(biāo)志物；
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程，但不應(yīng)以此限 制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022] 圖1是該測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋長(zhǎng)度及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子裝置的結(jié)構(gòu)原理 示意圖。該裝置包括計(jì)算機(jī)1、CCD相機(jī)2、疲勞試驗(yàn)機(jī)3、冷光源5以及散斑標(biāo)志物6 ;計(jì)算 機(jī)1、CCD相機(jī)2設(shè)置在疲勞試驗(yàn)機(jī)3左側(cè)；將有機(jī)玻璃試驗(yàn)件4置于疲勞試驗(yàn)機(jī)3上，所述 的冷光源5以及散斑標(biāo)志物6設(shè)置在疲勞試驗(yàn)機(jī)3右側(cè)；C⑶相機(jī)2和冷光源5通過控制 線路與計(jì)算機(jī)1連接。
[0023] 本發(fā)明提供的方法包括如下步驟：
[0024] 首先將所述的計(jì)算機(jī)1、CCD相機(jī)2設(shè)置在疲勞試驗(yàn)機(jī)3左側(cè)；將有機(jī)玻璃試驗(yàn)件 4置于疲勞試驗(yàn)機(jī)3上，所述的冷光源5以及剛性散斑標(biāo)志物6設(shè)置在疲勞試驗(yàn)機(jī)3右側(cè)； C⑶相機(jī)2和冷光源5通過控制線路與計(jì)算機(jī)1連接；
[0025] 2)在散斑標(biāo)志物表面6噴上黑白相間的漆斑，作為散斑點(diǎn)；
[0026] 3)在計(jì)算機(jī)1中安裝數(shù)字圖像相關(guān)方法軟件和MATLAB軟件；
[0027] 4)利用疲勞試驗(yàn)機(jī)3將有機(jī)玻璃試驗(yàn)件4固定，使有機(jī)玻璃試件4的平面朝向CCD 相機(jī)2 ;
[0028] 5)打開冷光源5,使光均勻照射在散斑標(biāo)志物6表面；
[0029] 6)將C⑶相機(jī)2通過有機(jī)玻璃試件4對(duì)準(zhǔn)有機(jī)玻璃試驗(yàn)件4后面的散斑標(biāo)志物 6,調(diào)節(jié)CCD相機(jī)2的位置和焦距，使散斑標(biāo)志物6上的散斑點(diǎn)在CCD相機(jī)2視場(chǎng)中成清晰 的圖像，并用計(jì)算機(jī)標(biāo)定在圖像中每一毫米對(duì)應(yīng)多少個(gè)像素點(diǎn)，拍一幅照片；
[0030] 7)按試驗(yàn)要求，用疲勞試驗(yàn)機(jī)3對(duì)有機(jī)玻璃試驗(yàn)件4進(jìn)行加載，在疲勞載荷作用達(dá) 到試驗(yàn)要求周次后，利用CCD相機(jī)2再拍一幅照片；
[0031] 8)用計(jì)算機(jī)1中的數(shù)字圖像相關(guān)方法軟件計(jì)算出放置有機(jī)玻璃試件4前后疲勞載 荷作用前后的X方向和Y方向的散斑場(chǎng)變化，再通過MATLAB軟件得出疲勞載荷作用前后的 X方向和Y方向的光線偏轉(zhuǎn)角，得出有機(jī)玻璃試件裂紋位置及裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布；
[0032] 9)由光線偏轉(zhuǎn)角利用下列公式反推裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子：
[0033] 假設(shè)(^和Φ y分別為X方向和Y方向的光線偏轉(zhuǎn)角，利用有機(jī)玻璃試件4中距裂 紋尖端的距離為r的光線偏轉(zhuǎn)角，通過下式反推裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子
[0036] 其中C。= -0· 9X 10 V/N為有機(jī)玻璃的光力學(xué)常數(shù)，B為試驗(yàn)件厚度，（r，Θ )為 裂紋尖端極坐標(biāo)，1為I型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法，其特征在于：利用包括計(jì)算 機(jī)（1)、CCD相機(jī)（2)、疲勞試驗(yàn)機(jī)（3)、冷光源（5)以及散斑標(biāo)志物（6)的試驗(yàn)裝置，測(cè)量 有機(jī)玻璃疲勞裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子，其方法包括如下步驟，首先將所述的計(jì)算機(jī)（I)、CCD 相機(jī)（2)設(shè)置在疲勞試驗(yàn)機(jī)（3)左側(cè)；將有機(jī)玻璃試驗(yàn)件（4)置于疲勞試驗(yàn)機(jī)（3)上，所述 的冷光源（5)以及散斑標(biāo)志物（6)設(shè)置在疲勞試驗(yàn)機(jī)（3)右側(cè)；CCD相機(jī)（2)和冷光源（5) 通過控制線路與計(jì)算機(jī)（1)連接； 2) 在散斑標(biāo)志物表面（6)噴上黑白相間的漆斑，作為散斑點(diǎn)； 3) 在計(jì)算機(jī)（1)中安裝數(shù)字圖像相關(guān)方法軟件和MATLAB軟件； 4) 利用疲勞試驗(yàn)機(jī)（3)將有機(jī)玻璃試驗(yàn)件（4)固定，使有機(jī)玻璃試件（4)的平面朝向 CCD 相機(jī)（2); 5) 打開冷光源（5)，使光均勻照射在散斑標(biāo)志物（6)表面； 6) 將CCD相機(jī)（2)通過有機(jī)玻璃試件（4)對(duì)準(zhǔn)有機(jī)玻璃試驗(yàn)件（4)后面的散斑標(biāo)志 物（6)，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)（2)的位置和焦距，使散斑標(biāo)志物（6)上的散斑點(diǎn)在CCD相機(jī)（2)視 場(chǎng)中成清晰的圖像，并用計(jì)算機(jī)標(biāo)定在圖像中每一毫米對(duì)應(yīng)多少個(gè)像素點(diǎn)，拍一幅照片； 7) 按試驗(yàn)要求，用疲勞試驗(yàn)機(jī)（3)對(duì)有機(jī)玻璃試驗(yàn)件（4)進(jìn)行加載，在疲勞載荷作用達(dá) 到試驗(yàn)要求周次后，利用CCD相機(jī)（2)再拍一幅照片； 8) 用計(jì)算機(jī)（1)中的數(shù)字圖像相關(guān)方法軟件計(jì)算出放置有機(jī)玻璃試件（4)前后疲勞載 荷作用前后的X方向和Y方向的散斑場(chǎng)變化，再通過MTLAB軟件得出疲勞載荷作用前后的 X方向和Y方向的光線偏轉(zhuǎn)角，得出有機(jī)玻璃試件裂紋位置及裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分布； 9) 由光線偏轉(zhuǎn)角利用下列公式反推裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子： 假設(shè)φ JP φ y分別為X方向和Y方向的光線偏轉(zhuǎn)角，利用有機(jī)玻璃試件（4)中距裂紋 尖端的距離為r的光線偏轉(zhuǎn)角，通過下式反推裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子其中C。= -0. 9X 10 llVziN為有機(jī)玻璃的光力學(xué)常數(shù)，B為試驗(yàn)件厚度，（r，Θ )為裂紋 尖端極坐標(biāo)，1為I型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種數(shù)字梯度敏感方法和高速攝影相結(jié)合測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋長(zhǎng)度及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的裝置和方法，屬于光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)、疲勞/斷裂力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的方法。本發(fā)明采用數(shù)字梯度敏感和高速攝影相結(jié)合的方法，用CCD相機(jī)拍攝疲勞載荷作用前后的照片，用數(shù)字梯度敏感技術(shù)測(cè)出疲勞載荷作用前后疲勞裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)，從而得出疲勞裂紋長(zhǎng)度及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子。本發(fā)明采用的數(shù)字梯度敏感技術(shù)是非接觸測(cè)量，和傳統(tǒng)電測(cè)方法相比，省去了每次都要貼應(yīng)變片的繁瑣工序，更為方便簡(jiǎn)單；對(duì)于非接觸測(cè)量，本發(fā)明增加了數(shù)字梯度敏感算法，使求得的裂紋尖端位置及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子更加精確。
【IPC分類】G01N21/88
【公開號(hào)】CN105352968
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510802025
【發(fā)明人】馬麗婷, 郝文峰, 陳新文
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年11月19日