CN105352968A - 一种测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字梯度敏感方法和高速摄影相结合测量有机玻璃疲劳裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子的装置和方法，属于光测实验力学、疲劳/断裂力学技术领域，尤其涉及一种测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子的方法。本发明采用数字梯度敏感和高速摄影相结合的方法，用CCD相机拍摄疲劳载荷作用前后的照片，用数字梯度敏感技术测出疲劳载荷作用前后疲劳裂纹尖端应力场，从而得出疲劳裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子。本发明采用的数字梯度敏感技术是非接触测量，和传统电测方法相比，省去了每次都要贴应变片的繁琐工序，更为方便简单；对于非接触测量，本发明增加了数字梯度敏感算法，使求得的裂纹尖端位置及裂纹尖端应力强度因子更加精确。

Description

一种测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子的方法

技术领域

本发明涉及一种数字梯度敏感方法和高速摄影相结合测量有机玻璃疲劳裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子的装置和方法，属于光测实验力学、疲劳/断裂力学技术领域，尤其涉及一种测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子的方法。

背景技术

有机玻璃在制造、加工和装配过程中不可避免的会产生一定的缺陷(如银纹、微裂纹等)服役期间在载荷/环境共同作用下局部应力集中的缺陷部位将形成裂纹，当裂纹扩展到临界尺寸时会导致有机玻璃的快速破裂。因此有必要对有机玻璃疲劳裂纹进行监测和测量。目前，对有机玻璃的疲劳裂纹测量方法主要是使用电测法测量应变变化，或者是使用显微镜观察裂纹长度和扩展情况。但是，电测法由于要贴应变片不仅工序较为繁琐而且会对有机玻璃本身产生一定的损伤，显微镜观察法则无法表征裂纹尖端应力应变信息。因此亟待开发一种光学非接触测量技术，能更为方便和精确的测量有机玻璃疲劳裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子演化。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量有机玻璃疲劳裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子的实验装置及方法，通过数字梯度敏感技术和高速摄影相结合的方法，使其能对有机玻璃材料的裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子进行精确测量。

本发明的技术方案如下：

1)利用包括计算机、CCD相机、疲劳试验机、冷光源以及散斑标志物的试验装置，测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子，其方法包括如下步骤，首先将所述的计算机、CCD相机设置在疲劳试验机左侧；将有机玻璃试验件置于疲劳试验机上，所述的冷光源以及散斑标志物设置在疲劳试验机右侧；CCD相机和冷光源通过控制线路与计算机连接；

2)在散斑标志物表面喷上黑白相间的漆斑，作为散斑点；

3)在计算机中安装数字图像相关方法软件和MATLAB软件；

4)利用疲劳试验机将有机玻璃试验件固定，使有机玻璃试件的平面朝向CCD相机；

5)打开冷光源，使光均匀照射在散斑标志物表面；

6)将CCD相机通过有机玻璃试件对准有机玻璃试验件后面的散斑标志物，调节CCD相机的位置和焦距，使散斑标志物上的散斑点在CCD相机视场中成清晰的图像，并用计算机标定在图像中每一毫米对应多少个像素点，拍一幅照片；

7)按试验要求，用疲劳试验机对有机玻璃试验件进行加载，在疲劳载荷作用达到试验要求周次后，利用CCD相机再拍一幅照片；

8)用计算机中的数字图像相关方法软件计算出放置有机玻璃试件前后疲劳载荷作用前后的X方向和Y方向的散斑场变化，再通过MATLAB软件得出疲劳载荷作用前后的X方向和Y方向的光线偏转角，得出有机玻璃试件裂纹位置及裂纹尖端应力场分布；

9)由光线偏转角利用下列公式反推裂纹尖端应力强度因子：

假设φ_x和φ_y分别为X方向和Y方向的光线偏转角，利用有机玻璃试件中距裂纹尖端的距离为r的光线偏转角，通过下式反推裂纹尖端应力强度因子

${\mathrm{\φ}}_x=C_{\mathrm{\σ}}B\frac{\∂({\mathrm{\σ}}_{xx}+{\mathrm{\σ}}_{yy})}{\∂x}=C_{\mathrm{\σ}}B\[(-K_I\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\π}}})r^{-\frac{3}{2}}cos(-\frac{3}{2}\mathrm{\θ})\]$

${\mathrm{\φ}}_y=C_{\mathrm{\σ}}B\frac{\∂({\mathrm{\σ}}_{xx}+{\mathrm{\σ}}_{yy})}{\∂y}=C_{\mathrm{\σ}}B\[(-K_I\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\π}}})r^{-\frac{3}{2}}\sin (-\frac{3}{2}\mathrm{\θ})\]$

其中C_σ＝-0.9×10^-10m²/N为有机玻璃的光力学常数，B为试验件厚度，(r,θ)为裂纹尖端极坐标，K_I为I型裂纹尖端应力强度因子。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：本发明采用的数字梯度相干技术是非接触测量，和传统电测方法相比，省去了每次都要贴应变片的繁琐工序，更为方便简单；对于非接触光学测量方法，本发明相比传统方法增加了数字梯度敏感算法，使求得的裂纹尖端位置及裂纹尖端应力强度因子更加精确。

附图说明

图1是本发明装置的结构原理示意图。

图中：1-计算机；2-CCD相机；3-疲劳试验机；4-有机玻璃试验件；5-冷光源；6-刚性散斑标志物；

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作原理、工作过程，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是该测量有机玻璃疲劳裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子装置的结构原理示意图。该装置包括计算机1、CCD相机2、疲劳试验机3、冷光源5以及散斑标志物6；计算机1、CCD相机2设置在疲劳试验机3左侧；将有机玻璃试验件4置于疲劳试验机3上，所述的冷光源5以及散斑标志物6设置在疲劳试验机3右侧；CCD相机2和冷光源5通过控制线路与计算机1连接。

本发明提供的方法包括如下步骤：

首先将所述的计算机1、CCD相机2设置在疲劳试验机3左侧；将有机玻璃试验件4置于疲劳试验机3上，所述的冷光源5以及刚性散斑标志物6设置在疲劳试验机3右侧；CCD相机2和冷光源5通过控制线路与计算机1连接；

2)在散斑标志物表面6喷上黑白相间的漆斑，作为散斑点；

3)在计算机1中安装数字图像相关方法软件和MATLAB软件；

4)利用疲劳试验机3将有机玻璃试验件4固定，使有机玻璃试件4的平面朝向CCD相机2；

5)打开冷光源5，使光均匀照射在散斑标志物6表面；

6)将CCD相机2通过有机玻璃试件4对准有机玻璃试验件4后面的散斑标志物6，调节CCD相机2的位置和焦距，使散斑标志物6上的散斑点在CCD相机2视场中成清晰的图像，并用计算机标定在图像中每一毫米对应多少个像素点，拍一幅照片；

7)按试验要求，用疲劳试验机3对有机玻璃试验件4进行加载，在疲劳载荷作用达到试验要求周次后，利用CCD相机2再拍一幅照片；

8)用计算机1中的数字图像相关方法软件计算出放置有机玻璃试件4前后疲劳载荷作用前后的X方向和Y方向的散斑场变化，再通过MATLAB软件得出疲劳载荷作用前后的X方向和Y方向的光线偏转角，得出有机玻璃试件裂纹位置及裂纹尖端应力场分布；

9)由光线偏转角利用下列公式反推裂纹尖端应力强度因子：

假设φ_x和φ_y分别为X方向和Y方向的光线偏转角，利用有机玻璃试件4中距裂纹尖端的距离为r的光线偏转角，通过下式反推裂纹尖端应力强度因子

${\mathrm{\φ}}_x=C_{\mathrm{\σ}}B\frac{\∂({\mathrm{\σ}}_{xx}+{\mathrm{\σ}}_{yy})}{\∂x}=C_{\mathrm{\σ}}B\[(-K_I\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\π}}})r^{-\frac{3}{2}}cos(-\frac{3}{2}\mathrm{\θ})\]$

${\mathrm{\φ}}_y=C_{\mathrm{\σ}}B\frac{\∂({\mathrm{\σ}}_{xx}+{\mathrm{\σ}}_{yy})}{\∂y}=C_{\mathrm{\σ}}B\[(-K_I\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\π}}})r^{-\frac{3}{2}}sin(-\frac{3}{2}\mathrm{\θ})\]$

其中C_σ＝-0.9×10^-10m²/N为有机玻璃的光力学常数，B为试验件厚度，(r,θ)为裂纹尖端极坐标，K_I为I型裂纹尖端应力强度因子。

Claims (1)

1.一种测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子的方法，其特征在于：利用包括计算机(1)、CCD相机(2)、疲劳试验机(3)、冷光源(5)以及散斑标志物(6)的试验装置，测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子，其方法包括如下步骤，首先将所述的计算机(1)、CCD相机(2)设置在疲劳试验机(3)左侧；将有机玻璃试验件(4)置于疲劳试验机(3)上，所述的冷光源(5)以及散斑标志物(6)设置在疲劳试验机(3)右侧；CCD相机(2)和冷光源(5)通过控制线路与计算机(1)连接；

2)在散斑标志物表面(6)喷上黑白相间的漆斑，作为散斑点；

3)在计算机(1)中安装数字图像相关方法软件和MATLAB软件；

4)利用疲劳试验机(3)将有机玻璃试验件(4)固定，使有机玻璃试件(4)的平面朝向CCD相机(2)；

5)打开冷光源(5)，使光均匀照射在散斑标志物(6)表面；

6)将CCD相机(2)通过有机玻璃试件(4)对准有机玻璃试验件(4)后面的散斑标志物(6)，调节CCD相机(2)的位置和焦距，使散斑标志物(6)上的散斑点在CCD相机(2)视场中成清晰的图像，并用计算机标定在图像中每一毫米对应多少个像素点，拍一幅照片；

7)按试验要求，用疲劳试验机(3)对有机玻璃试验件(4)进行加载，在疲劳载荷作用达到试验要求周次后，利用CCD相机(2)再拍一幅照片；

8)用计算机(1)中的数字图像相关方法软件计算出放置有机玻璃试件(4)前后疲劳载荷作用前后的X方向和Y方向的散斑场变化，再通过MATLAB软件得出疲劳载荷作用前后的X方向和Y方向的光线偏转角，得出有机玻璃试件裂纹位置及裂纹尖端应力场分布；

9)由光线偏转角利用下列公式反推裂纹尖端应力强度因子：

假设φ_x和φ_y分别为X方向和Y方向的光线偏转角，利用有机玻璃试件(4)中距裂纹尖端的距离为r的光线偏转角，通过下式反推裂纹尖端应力强度因子

${\mathrm{\φ}}_x=C_{\mathrm{\σ}}B\frac{\∂({\mathrm{\σ}}_{xx}+{\mathrm{\σ}}_{yy})}{\∂x}=C_{\mathrm{\σ}}B\[(-K_I\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\π}}})r^{-\frac{3}{2}}cos(-\frac{3}{2}\mathrm{\θ})\]$

${\mathrm{\φ}}_y=C_{\mathrm{\σ}}B\frac{\∂({\mathrm{\σ}}_{xx}+{\mathrm{\σ}}_{yy})}{\∂y}=C_{\mathrm{\σ}}B\[(-K_I\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\π}}})r^{-\frac{3}{2}}sin(-\frac{3}{2}\mathrm{\θ})\]$

其中C_σ＝-0.9×10^-10m²/N为有机玻璃的光力学常数，B为试验件厚度，(r,θ)为裂纹尖端极坐标，K_I为I型裂纹尖端应力强度因子。