CN104458562A - 一种裂纹张开应力的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光测力学、工程材料和疲劳断裂力学研究领域，涉及一种裂纹张开应力的测量方法。该方法的主要步骤包括：对含裂纹试件进行加载，通过非接触式应变位移测量分析系统采集裂纹尖端目标点完整载荷循环的应变数据，依据裂纹尖端应变数据用最小二乘法对卸载阶段和加载阶段求解裂纹张开应力。本发明利用非接触式应变位移测量分析系统测量裂纹尖端目标点的柔度变化来确定裂纹张开应力，得到的结果比目前常见的引伸计法更可靠，同时检测更加便利、全面。

Description

一种裂纹张开应力的测量方法

技术领域

本发明属于光测力学、工程材料和疲劳断裂力学研究领域，涉及一种裂纹张开应力的测量方法。

背景技术

采用试验手段测量裂纹张开应力是对断裂分析理论的验证和补充，目前常见的测试裂纹张开应力的方法中，柔度法成本优势明显，因此得到了广泛采用。

柔度法确定裂纹张开应力的理论基础是：含裂纹试样完全张开时，柔度(应变/位移-力曲线的斜率)达到一特征值并保持恒定；从最大循环载荷卸载后，不考虑在最大载荷达到之前是否产生大范围屈服，柔度仍然具有裂纹完全张开时的特征值。因此，柔度法测量裂纹张开应力只需要确定应变/位移-力曲线开始成线性时的力。

在测试中心裂纹和边缘裂纹的柔度时，目前通常采用位移规测试裂纹嘴处的位移/应变-力曲线。裂纹张开行为是通过裂纹面上最靠近裂纹尖端的点脱离接触来定义的，属于裂纹尖端局部的特征行为；因此通过位移规测试的裂纹嘴处位移-力曲线来确定裂纹张开应力误差较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种在含裂纹试样在加载过程中裂纹张开应力的更加准确的测量方法。

为达到该目的，本发明采用的技术方案如下：

将数字影像采集系统与计算机连接，并将数字影像采集系统的应变位移数据处理程序安装在计算机中，组成非接触式应变位移测量分析系统，然后利用非接触式应变位移测量分析系统进行裂纹张开应力的测量，测量步骤如下：1)将含裂纹试件固定在加载装置上，利用加载装置对试样进行加载；2)通过非接触式应变位移测量分析系统中的数字影像采集系统采集试件上裂纹尖端目标点的完整载荷循环的影像数据，用应变位移数据处理程序处理目标点的影像数据得到对应的应变数据，并记录在计算机中；3)用最小二乘法对卸载阶段最大载荷95％至70％范围内应变数据做直线拟合，得到的直线斜率为裂纹完全张开时的柔度，记为f；4)选取加载阶段应变数据最大载荷90％的作为拟合曲线段，以10％为范围，间隔5％对拟合曲线段进行分段，用最小二乘法对加载阶段应变数据分段进行直线拟合，拟合得到的各段直线斜率，记为分段柔度f_n；5)各段数据的柔度偏离d_n由下式得到：

d_n＝(f-f_n)/f；其中n＝1，2，3…

6)以各段柔度偏离d_n和平均载荷S_n为坐标，在标准直角坐标系内绘出对应点并用直线连接；柔度偏离增大阶段折线最后一次经过0点时对应的应力即为裂纹张开应力。

本发明具有的优点和有益效果，本发明采用非接触式应变位移测量分析系统采用散斑识别技术，可实时准确跟踪物体表面点的运动。利用该系统可以对裂纹尖端目标点的位移或应变进行实时测量，这是引伸计做不到的。

非接触式应变位移测量分析系统安装省时、无需做标记点、可实时测量多个被测点并记录多个参数。与此同时，非接触式应变位移测量分析系统还具有非常高的测试精度，25mm视场范围时，位移的测量精度可以达到0.05μm,应变的测量精度为5με。

本发明利用非接触式应变位移测量分析系统测量裂纹尖端目标点的柔度变化来确定裂纹张开应力，测试结果比目前常见的引伸计法更可靠，同时测量过程更加便利。

附图说明

图1为实现本发明的装置示意图，

图2为实施例示意图。

具体实施方式

将数字影像采集系统与计算机连接，并将应变位移数据处理程序安装在计算机中，组成非接触式应变位移测量分析系统3，然后利用非接触式应变位移测量分析系统3进行裂纹张开应力的测量，测量步骤如下：1)将含裂纹试件1固定在加载装置2上，利用加载装置2对试样1进行加载；2)通过非接触式应变位移测量分析系统3中的数字影像采集系统采集试件1上裂纹尖端目标点的完整载荷循环的影像数据，用应变位移数据处理程序处理目标点的影像数据得到对应的应变数据，并记录在计算机中；3)用最小二乘法对最大载荷95％至70％范围的卸载阶段应变数据做直线拟合，对选取范围内的数据进行一次直线拟合，得到一条直线，得到的直线斜率为裂纹完全张开时的柔度，记为f；4)选取最大载荷90％的加载阶段应变数据作为拟合数据段，加载起始阶段至达到最大载荷的90％为拟合选取数据段，以10％为范围，间隔5％对试验曲线进行分段，即以最大载荷的10％对拟合选取的加载阶段数据进行分段，其中相邻两数据段中值间隔为最大载荷的5％，用最小二乘法对加载阶段应变数据分段进行直线拟合，拟合得到的各段直线斜率，记为分段柔度f_n；5)各段数据的柔度偏离d_n由下式得到：

d_n＝(f-f_n)/f；其中n＝1，2，3…

6)以各段柔度偏离d_n和平均载荷S_n为坐标，在标准直角坐标系内绘出对应点并用直线连接；柔度偏离增大阶段折线最后一次经过0点时对应的应力即为裂纹张开应力。

实施例

将数字影像采集系统与计算机连接，并将数字影像采集系统的应变位移数据处理程序安装在计算机中，组成非接触式应变位移测量分析系统，然后利用非接触式应变位移测量分析系统进行裂纹张开应力的测量，测量步骤如下：

1)将含裂纹试件固定在加载装置上，利用加载装置对试样进行加载；

2)通过非接触式应变位移测量分析系统中的数字影像采集系统采集试件上裂纹尖端目标点的完整载荷循环的影像数据，用应变位移数据处理程序处理目标点的影像数据得到对应的应变数据，并记录在计算机中；

3)用最小二乘法对卸载阶段最大载荷95％至70％范围内应变数据做直线拟合，得到的直线斜率为裂纹完全张开时的柔度，记为f；

4)选取加载阶段应变数据最大载荷90％的作为拟合曲线段，以10％为范围，间隔5％对拟合曲线段进行分段，用最小二乘法对加载阶段应变数据分段进行直线拟合，拟合得到的各段直线斜率，记为分段柔度f_n；

5)各段数据的柔度偏离d_n由下式得到：

d_n＝(f-f_n)/f；其中n＝1，2，3…

6)以各段柔度偏离d_n和平均载荷S_n为坐标，在标准直角坐标系内绘出对应点并用直线连接；柔度偏离增大阶段折线最后一次经过0点时对应的应力即为裂纹张开应力。

测量结果参见图2，图2左侧实线表示通过非接触式应变位移测量分析系统采集处理得到的裂纹尖端目标点完整载荷循环下的应变数据，纵坐标表示载荷变化情况，最大载荷为18kN；

图2左侧虚线表示采用最小二乘法对卸载阶段应变曲线进行拟合得到的直线，其斜率为裂纹完全张开时的柔度f；

图2左侧点划线表示采用最小二乘法对加载阶段应变数据分段进行拟合得到的多条直线段，各直线段斜率为分段柔度f_n；

图2右侧短虚线表示以各段柔度偏离d_n和平均载荷S_n为坐标绘出的柔度偏离曲线，柔度偏离增大阶段折线在A点最后一次经过0点，此处对应的纵坐标即为裂纹张开应力。

此实施例中，张开应力P_o＝7.892kN。

Claims (1)

1.一种裂纹张开应力的测量方法，其特征在于，将数字影像采集系统与计算机连接，并将应变位移数据处理程序安装在计算机中，组成非接触式应变位移测量分析系统(3)，然后利用非接触式应变位移测量分析系统(3)进行裂纹张开应力的测量，测量步骤如下：1)将含裂纹试件(1)固定在加载装置(2)上，利用加载装置(2)对试样(1)进行加载；2)通过非接触式应变位移测量分析系统(3)中的数字影像采集系统采集试件(1)上裂纹尖端目标点的完整载荷循环的影像数据，用应变位移数据处理程序处理目标点的影像数据得到对应的应变数据，并记录在计算机中；3)用最小二乘法对卸载阶段最大载荷95％至70％范围内应变数据做直线拟合，得到的直线斜率为裂纹完全张开时的柔度，记为f；4)选取加载阶段应变数据最大载荷90％的作为拟合曲线段，以10％为范围，间隔5％对拟合曲线段进行分段，用最小二乘法对加载阶段应变数据分段进行直线拟合，拟合得到的各段直线斜率，记为分段柔度f_n；5)各段数据的柔度偏离d_n由下式得到：

d_n＝(f-f_n)/f；其中n＝1，2，3…

6)以各段柔度偏离d_n和平均载荷S_n为坐标，在标准直角坐标系内绘出对应点并用直线连接；柔度偏离增大阶段折线最后一次经过0点时对应的应力即为裂纹张开应力。