一種在線測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在線測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，屬于疲勞斷裂力學(xué)測(cè)試 技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 疲勞裂紋擴(kuò)展速率是反映含裂紋構(gòu)件抗疲勞斷裂的一個(gè)重要指標(biāo)，也是估算構(gòu)件 疲勞裂紋擴(kuò)展壽命必不可少的參數(shù)。裂紋擴(kuò)展速率與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍之間存在 著關(guān)系，大量疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)表明疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo) 系下具有三個(gè)階段的特征，即較低應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍時(shí)的近門(mén)檻區(qū)擴(kuò)展階段、中間應(yīng)力強(qiáng) 度因子范圍的穩(wěn)定擴(kuò)展階段和較高應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的快速趨于斷裂韌度階段。
[0003] 傳統(tǒng)的測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的方法主要是在一定疲勞循環(huán)周次下人為地 采用顯微裂紋測(cè)量?jī)x對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行讀數(shù)，通過(guò)循環(huán)載荷幅度與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍之間的 經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式，利用疲勞過(guò)程中記錄的循環(huán)載荷計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍，之后得到裂紋擴(kuò) 展速率與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍之間的關(guān)系公式。傳統(tǒng)方法中人工測(cè)量裂紋長(zhǎng)度及求 解應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的工序繁瑣，裂紋長(zhǎng)度需要停機(jī)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)在較高應(yīng)力強(qiáng)度因子 范圍的快速趨于斷裂韌度階段很難對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行有效的測(cè)量。亟待針對(duì)有機(jī)玻璃疲勞裂 紋擴(kuò)展問(wèn)題提出一種實(shí)時(shí)有效地測(cè)量方法，能更為方便地測(cè)量裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因 子范圍的定量關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種在線測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，使其能更為方 便地測(cè)量裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的定量關(guān)系，克服現(xiàn)有傳統(tǒng)方法中存在的需要 停機(jī)進(jìn)行測(cè)量所造成的測(cè)量工序復(fù)雜、數(shù)據(jù)處理不便以及測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確的缺陷，從而實(shí) 現(xiàn)實(shí)時(shí)有效地對(duì)有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的測(cè)量。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種在線測(cè)量有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，所述方法采用的透射式焦散線測(cè)試 系統(tǒng)包括激光光源、擴(kuò)束鏡、第一成像透鏡、分劃板、第二成像透鏡、C⑶相機(jī)以及計(jì)算機(jī);激 光光源發(fā)出的激光透過(guò)擴(kuò)束鏡后，經(jīng)第一成像透鏡折射變?yōu)槠叫泄猓┻^(guò)承受疲勞載荷作 用的含裂紋有機(jī)玻璃試件后再經(jīng)過(guò)第二成像透鏡匯聚，由(XD相機(jī)接收成像，最終將采集的 圖像傳輸至計(jì)算機(jī);對(duì)有機(jī)玻璃試件進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)前，利用分劃板調(diào)節(jié)焦散線試 驗(yàn)光路，試驗(yàn)過(guò)程中將分劃板移除；
[0007] 所述方法包括如下步驟：
[0008] 1)使激光光源發(fā)出的光依次穿過(guò)擴(kuò)束鏡、第一成像透鏡、承受疲勞載荷作用的含 裂紋有機(jī)玻璃試件以及第二成像透鏡，最終由CCD相機(jī)接收光線成像，使CCD相機(jī)所采集的 有機(jī)玻璃試件裂紋尖端附近焦散斑圖像的像素豎直方向與裂紋方向一致；
[0009] 2)調(diào)節(jié)透射式焦散線試驗(yàn)光路，標(biāo)定圖像空間分辨率:在含裂紋有機(jī)玻璃試件與 第二成像透鏡之間放置一分劃板，分劃板與有機(jī)玻璃試件表面的距離為Z0,調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的 位置和焦距，使分劃板上的標(biāo)記圖案在CCD相機(jī)視場(chǎng)中間最清晰，然后移除分劃板，對(duì)含裂 紋有機(jī)玻璃試件拍一幅圖像，作為參考圖像，根據(jù)有機(jī)玻璃試件邊界等標(biāo)識(shí)信息與像素的 對(duì)應(yīng)關(guān)系確定圖像空間分辨率L，同時(shí)確定疲勞裂紋擴(kuò)展過(guò)程中裂紋長(zhǎng)度及裂尖附近焦散 斑所在像素區(qū)域的范圍，將此區(qū)域定義為圖像處理區(qū)域；
[0010] 3)設(shè)置CCD相機(jī)的采集頻率與疲勞載荷的頻率相同，疲勞試驗(yàn)開(kāi)始后，疲勞載荷第 一次達(dá)到最大值時(shí)，疲勞循環(huán)周次N等于0,此時(shí)利用CCD相機(jī)開(kāi)始在線并連續(xù)地采集不同疲 勞循環(huán)周次下含裂紋有機(jī)玻璃試件的裂紋尖端附近焦散斑圖像及裂紋擴(kuò)展過(guò)程，并存儲(chǔ)至 計(jì)算機(jī)緩沖區(qū)；
[0011] 4)在線計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔΚ及裂紋長(zhǎng)度a:對(duì)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中的每幅圖像進(jìn) 行實(shí)時(shí)圖像處理，在步驟2)所確定的圖像處理區(qū)域中，首先對(duì)圖像沿像素水平方向從左至 右掃描各像素點(diǎn)灰度值，利用灰度插值的方法得到水平方向的灰度值分布，獲得灰度值最 高的兩點(diǎn)的像素差值cU，i表示掃描過(guò)程中第i行，確定所有行中像素差值的最大值d max，即 為焦散斑橫向最大直徑所對(duì)應(yīng)的像素，利用圖像空間分辨率L得出橫向最大直徑D，則應(yīng)力 強(qiáng)度因子范圍AK表示為：
[0013]其中c為材料的應(yīng)力光學(xué)常數(shù)，η為材料的折射率，t為有機(jī)玻璃試件厚度，R為應(yīng)力 比；
[0014] 然后對(duì)圖像處理區(qū)域沿像素豎直方向從上至下掃描各像素點(diǎn)灰度值，利用灰度插 值的方法得到豎直方向的灰度值分布，獲得灰度值第一次達(dá)到極大值的像素與圖像處理區(qū) 域下邊界像素的差值~，j表示掃描過(guò)程中第j列，確定所有列中像素差值的最大值 Smax，則 裂紋的長(zhǎng)度為a表示為：
[0015] a = Smax/L-0.527D
[0016] 5)利用差分方法對(duì)步驟4)中在線得到的隨疲勞循環(huán)周次N變化的裂紋長(zhǎng)度a進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理，獲得裂紋擴(kuò)展速度da/dN，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下利用差分方法獲得疲勞裂紋擴(kuò)展速 率da/dN對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔΚ的二階導(dǎo)數(shù)X;
[0017] 6)利用在線得到隨疲勞循環(huán)周次N變化的裂紋擴(kuò)展速度da/dN、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍 A K和二階導(dǎo)數(shù)X的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中的焦散斑圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)地條件選擇:在疲勞 裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)開(kāi)始階段，選擇條件為裂紋擴(kuò)展速度增量，當(dāng)裂紋擴(kuò)展速度增量達(dá)到l(T 8m/周 至周時(shí)，存儲(chǔ)此時(shí)的焦散斑圖像及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù);當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)X的絕對(duì)值X = 0時(shí)，疲 勞裂紋進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段，選擇條件發(fā)生改變，此時(shí)當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍A K增量達(dá)到 O.OIMPa · mV2到0.1 MPa · mV2時(shí)，存儲(chǔ)一幅焦散斑圖像及所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)X〉 〇時(shí)，疲勞裂紋進(jìn)入快速趨于斷裂韌度階段，選擇條件再次發(fā)生改變，此時(shí)當(dāng)裂紋擴(kuò)展速度 增量達(dá)到1〇Λι/周到1〇Λι/周時(shí)，存儲(chǔ)一幅焦散斑圖像及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù);對(duì)其它不滿足選 擇條件的圖像及試驗(yàn)數(shù)據(jù)在緩存區(qū)中進(jìn)行清除;選擇條件裂紋擴(kuò)展速度增量和應(yīng)力強(qiáng)度因 子范圍增量根據(jù)疲勞試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展速度及應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的理論值確定；
[0018] 7)對(duì)步驟6)中所存儲(chǔ)的焦散斑圖像及對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0019] 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)明采用的焦散線光學(xué) 測(cè)試技術(shù)是非接觸測(cè)量，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，試驗(yàn)結(jié)果可靠;通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，對(duì)圖像進(jìn) 行條件選擇，提高有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)測(cè)量精度，同時(shí)降低圖像存儲(chǔ)量，減小數(shù)據(jù)分 析處理量;與傳統(tǒng)疲勞裂紋擴(kuò)展測(cè)量方法相比，省去了每次人工測(cè)量裂紋長(zhǎng)度及求解應(yīng)力 強(qiáng)度因子范圍的繁瑣工序，避免了裂紋長(zhǎng)度停機(jī)測(cè)量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，更為簡(jiǎn)單方便。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明提供的透射式焦散線光學(xué)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0021] 圖2是圖像處理區(qū)域的示意圖。
[0022] 圖3(a)是圖像處理區(qū)域內(nèi)水平方向灰度分布示意圖。
[0023]圖3(b)是圖像處理區(qū)域內(nèi)豎直方向灰度分布示意圖。
[0024] 圖4是本發(fā)明提出的焦散斑圖像及試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)及監(jiān)測(cè)流程圖。
[0025] 圖5是疲勞裂紋擴(kuò)展速率與應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系特征的曲線示意 圖。
[0026] 圖中：1-激光光源;2-擴(kuò)束鏡;3-第一成像透鏡;4-分劃板;5-第二成像透鏡;6-CXD 相機(jī);7-計(jì)算機(jī);8-含裂紋有機(jī)玻璃試件;A-近門(mén)檻區(qū)擴(kuò)展階段與穩(wěn)定擴(kuò)展階段過(guò)渡點(diǎn);B-穩(wěn)定擴(kuò)展階段與快速趨于斷裂韌度階段過(guò)渡點(diǎn);D-焦散斑橫向最大直徑;G-焦散斑圖像中 有機(jī)玻璃試件所在區(qū)域