CN113008669B - 一种动态监测裂纹尖端应力强度因子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种动态监测裂纹尖端应力强度因子的方法，选择有机力致发光材料，制备溶液；在金属试样表面均匀涂敷有机力致发光材料溶液，加热成膜；利用涂覆力致发光材料的拉伸试样标定荧光强度，建立荧光强度与应力的关系曲线；利用涂覆力致发光材料的单边缺口试样进行拉伸实验，采集不同加载力下的裂纹尖端的荧光图像；对荧光图像进行处理，定量获取荧光区域的边界和强度；利用边界上的荧光强度与应力的关系曲线以及根据偏应力准则求解出应力强度因子和T应力；与材料本身的应力强度因子极限Kc进行比较，对在役使用的含缺陷工程结构进行安全评估。本发明可以推广至复杂机械结构或加载条件，对机械结构设计、健康检测具有重要的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用具有力致响应性质的有机发光材料，动态监测裂纹尖端应力强度因 子的方法。
背景技术
随着全球经济发展，大型复杂构件在航空航天、高铁和汽车等领域广泛应用，为了确保构 件的使用安全性和耐久性，需要对其进行大范围的健康监测和安全评估，对保障人员和设备的 安全具有重要意义。工业应用中的实际结构中往往存在着各种缺陷或者裂纹，从而显著降低结 构材料的实际强度，危害工程结构的正常使用。因此，对其进行快速而准确的分析，动态监测 裂纹尖端的应力强度因子，对工程结构安全性、可靠性和耐久性的评估具有重要意义。构件的 断裂起源于裂纹，而裂纹在外界因素作用下处于静止还是发展，都与裂纹尖端附近的应力场有 直接关系。应力强度因子(K因子)是描述裂纹尖端附近应力场强弱程度的参量，表征着裂纹 扩展能力。根据裂纹的分类：张开型(I型)、滑开型(Ⅱ型)和撕开型(Ⅲ型)，应力强度因 子也分为KI、KⅡ和KⅢ。
关于应力强度因子的计算方法，主要有解析法、数值解法和实验法三类。解析法中包括复 变函数法、积分变换法、权函数法等，这类方法简单方便，但只能用于解决一些简单问题，然 而在工程实践中，由于整体或部件的形状、应力、裂缝形态的多样性，往往难以在理论上描述 和求解。数值解法包括边界配置法、有限元法。边界配置法是一种半解析的数值解法，限于讨 论直边界问题；有限元法因为不受裂纹体几何或载荷的复杂性限制，被广泛应用，但建模过程 繁琐、工作量大，且由于计算机容量与费用限制，解决一些复杂问题也存在一定困难。因而， 利用实验提取应力强度因子的方法一直备受关注，常用的有电测法、柔度法、光弹性法。电测 法是采用应变片测定尖端附近的应变进而计算应力强度因子，但贴片过程繁琐且限于有限点， 后续拟合工作复杂；柔度法是一种基于能量原理的实验标定方法，精度较高但无法用于动态测 量；光弹性法能够提取全场变形以计算应力强度因子，提高了测量精度，但是实验设备复杂， 只能测量透明材料。
近年来，数字散斑相关方法(Digital Image Correlation(DIC))被广泛应用于求解应力强 度因子。DIC方法是通过搭建光学非接触测量系统，利用被测物体表面变形前后的数字图像灰 度变化来测量位移应变场，得到全场位移，然后利用位移场数据提取出不同载荷作用下裂纹尖 端的应力强度因子。但DIC技术的散斑喷涂和复杂的光学成像系统制约了其在工程上的大范 围应用。另外，DIC对于一些复杂构件的应力/应变检测也有一定局限性。
荧光以其高灵敏度、响应实时、可视化和易于检测的特点，广泛地应用于照明、分析和过 程检测等领域。力致发光变色材料种类众多，主要分为无机材料、金属有机配合物材料与纯有 机材料。利用力致发光现象表征机械变形和损伤是结构健康监测领域发展的重要方向，然后定 量分析机械力诱导产生的荧光强度和范围是亟待解决的难点。利用无机力致发光材料监测机械 部件损伤仅有个例。中国发明专利“一种利用荧光量子点检测和监控机械部件裂纹的方法”(发 明专利申请号：CN 201210586280公开号：CN 103901003 A)公开了一种基于无机量子点的荧 光响应检测机械部件的疲劳裂纹方法。金属有机配合物材料与纯有机材料力致发光材料虽然报 道的种类众多，但是由于其力致发光要求很大的压力或摩擦力，并且难于和金属构件结合，因 此工程应用寥寥无几(化学学报76(2018)246–258)。因此利用有机力致发光材料进行机械损 伤评定是非常困难的。
四硝基-四苯基乙烯(TPE-4N)在金属表面成膜性好，力致响应迅速的优点。中国发明专利 “一种利用有机力致发光材料检测机械部件的力学响应的方法”(发明专利申请号：CN201810258759.8公开号：CN108680288A)公开了利用四硝基-四苯基乙烯(TPE-4N)材料检测应力应变场和预测裂纹扩展的方法。这为利用有机力致荧光响应定量开展机械损伤奠定了基 础。然而，金属表面的有机力致荧光强度分布不连续，无法直接准确确定荧光的边界及强度， 这就对定量分析机械损伤带来困难。利用有机力致发光材料动态监测裂纹尖端应力强度因子尚 未见报道。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用有机力致发光材料动态监测裂纹尖端应力强 度因子的方法。
本发明的技术方案：
一种利用有机力致发光材料监测裂纹尖端应力强度因子的方法，包括以下步骤:
(1)选择有机力致发光材料作为材料，配制有机力致发光材料溶液；
(2)金属表面成膜：使用刷子将有机力致发光材料溶液均匀涂覆在金属表面，通过加热 工具加热成膜；
(3)荧光强度标定：对涂有有机力致发光材料金属试样进行单轴拉伸试验，使用紫外光 源作为激发光源照射试样上的涂层，通过荧光强度测量系统建立荧光强度和应力的关系曲线； 分析像素的灰度值，利用像素灰度值表征荧光强度；
(4)单边缺口试样的拉伸实验：对涂覆有发光材料的单边缺口试样进行拉伸实验，同样 使用紫外光源作为激发光源，实时记录不同载荷下的荧光图像；
(5)荧光图像的处理：选取变形过程中试样表面荧光特征点，通过特征点的拉伸平移提 取出裂纹尖端的区域作为分析区域，将选定区域的灰度值进行直方图分析及均衡化处理；再利 用高斯滤波平滑图像，去高频，再用阈值处理，确定光斑区域的概率范围；接下来对原图采用 阈值分割、噪声区域去除及裂纹区域的膨胀处理；最后对记录的原始图像进行相应的处理；获 得裂纹尖端荧光区域的边界曲线，从而表征裂纹尖端的应力场；
(6)利用荧光图像计算应力强度因子：在图像处理后的获得的应力场上进行取点并获得 该点荧光强度，通过标定的荧光强度和应力的关系曲线得到裂纹尖端应力场的值，进而通过基 于偏应力准则得到的迭代公式求解出应力强度因子及T应力；
(7)与材料本身的应力强度因子极限Kc比较进行安全评定，当实测应力强度因子小于Kc 时，结构安全。
所述的方有机力致发光材料选用四硝基-四苯基乙烯(TPE-4N)材料，配制TPE-4N溶液浓度 0.01～0.05g/mL；有机溶剂为氯仿。
所述的加热工具使用热风枪、加热炉或加热套；加热温度为80℃-300℃，加热时间1-30分 钟。
所述的检测装置采用CCD照相系统或光谱仪。
所述的方法是通过选取变形过程中试样表面荧光特征点，通过特征点的拉伸平移提取出裂 纹尖端2～10mm×2～10mm的区域作为分析区域，将选定区域的灰度值进行直方图分析及均衡 化处理；再利用高斯滤波平滑图像，去高频，再用阈值处理0.015-0.05，确定光斑区域的概率 范围；接下来对原图采用阈值分割参数0.04、噪声区域去除及裂纹区域的膨胀处理；最后对记 录的原始图像进行相应的处理；获得裂纹尖端荧光区域的边界曲线，从而表征裂纹尖端的应力 场。
所述的有机力致发光材料溶液预先制备避光保存，携带至被测机械部件的施工现场涂敷， 利用热风枪或加热套工具加热成膜。
具体说明如下：
本发明的一种利用有机力致发光材料监测裂纹尖端应力强度因子的方法，包括以下步骤:
(1)选择有机力致发光材料作为材料，配制有机力致发光材料溶液；
(2)金属表面成膜：使用刷子将有机力致发光材料溶液均匀涂覆在金属表面，通过加热 工具加热成膜；
(3)荧光强度标定：对涂有有机力致发光材料金属试样进行单轴拉伸试验，使用紫外光 源作为激发光源照射试样上的涂层，通过荧光强度测量系统建立荧光强度和应力的关系曲线； 分析像素的灰度值，利用像素灰度值表征荧光强度。
(4)单边缺口试样的拉伸实验：对涂覆有发光材料的单边缺口试样进行拉伸实验，同样 使用紫外光源作为激发光源，通过荧光强度测量系统实时记录不同载荷下的荧光图像；
(5)荧光图像的处理：由于荧光响应机制的原因，荧光像素点的灰度值是不连续的，需 要采用图像处理方法对荧光图像进行处理，得到荧光区域的边界线。选取变形过程中试样表面 荧光特征点，通过特征点的拉伸平移提取出裂纹尖端2～10mm×2～10mm的区域，作为分析区 域，将选定区域的灰度值进行直方图分析及均衡化处理；再利用高斯滤波平滑图像，去高频， 再用阈值处理(0.015-0.05)，确定光斑区域的概率范围；接下来对原图采用阈值分割(参数 0.04)、噪声区域去除及裂纹区域的膨胀处理；最后对记录的原始图像进行相应的处理；获得 裂纹尖端荧光区域的边界曲线，从而表征裂纹尖端的应力场；
(6)利用荧光图像计算应力强度因子：在图像处理后的获得的应力场上进行取点并获得 该点荧光强度，通过标定的荧光强度和应力的关系曲线得到参数σ1,T的值，进而通过基于偏应 力准则得到的迭代公式求解出Ⅰ型应力强度因子KI、Ⅱ型应力强度因子KII及T应力。等效应力σe及利用偏应力准则计算单边缺口试样的应力强度因子的方法如下所述。通过二维方程将Ⅰ型和 Ⅱ型应力强度因子与裂纹尖端附近的应力场联系起来，如下所示：
式中，σxx、σyy和σxy代表x、y方向和xy平面上的应力(坐标系如图5所示)，KI、KII分别为Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子，T代表T应力；F1～F5由式(1d)～(1h)给出，θ为x轴的逆 时针角，r为距裂纹尖端的距离。
式(1)记为主应力形式为：
基于偏应力准则，采用塑性变形屈服准则来确定缺口附近与荧光强度相关的等效应力值 σe：
对于单轴拉伸实验，荧光强度仅与拉伸应力σT有关，如下式所示：
σe＝σT (3b)
在平面应力条件下，σ3等于零，根据式(9)和(10)有：
结合(1)式、(2)式和(4)式，可以推导得到：
其中：
α1＝KI 2[(F1-F3)2+F1F3+3F4 2]
α2＝KII 2[(F2-F4)2+F2F4+3F5 2]
α3＝KIKII[(F1-F3)(F2-F4)+F1F2+F3F4+6F4F5]
β1＝KIT[2F1-F3]
β2＝KIIT[2F2-F4]
γ＝2T2
综上，通过牛顿迭代法，即可求解(5)式中的未知量KⅠ，KⅡ及T。
(7)将本方法实时监测到的应力强度因子KⅠ、KⅡ及T应力与材料本身的应力强度因子极 限Kc进行比较，当实际监测到的KI和KII小于Kc时结构安全，因此本方法对在役使用的含缺陷 工程结构进行安全评估。
本文提出的利用有机力致发光材料计算裂纹尖端应力强度因子的方法，能够实时可视地反 映出真实构件的变形，从而有效实现应力强度因子的动态可视化监测。
本发明的优点是：
(1)本发明的利用有机力致发光材料动态可视化地监测裂纹尖端应力强度因子的方法， 利用有机材料力致发光的特性，通过实时检测缺口试样上有机发光材料膜的荧光响应，在一系 列计算后获得了较为准确的应力强度因子值，为应力强度因子计算提供了一种新的思路和技 术。
(2)本发明的利用有机力致发光材料动态可视化地监测裂纹尖端应力强度因子的方法， 利用四硝基-四苯基乙烯受力变形后可在紫外光下激发，且荧光肉眼可见，响应迅速，能够直 观地反映出裂纹尖端的损伤程度，简便易行，成本低，无毒害，适用范围广。
(3)本发明的利用有机力致发光材料动态可视化地监测裂纹尖端应力强度因子的方法， 不受机械结构几何和载荷复杂性限制，在试样产生荧光响应后即可进行分析计算求解应力强度 因子，从而实现动态可视化监测，对于含缺陷构件的结构健康监测提供了重要参考，因此相比 于其他方法在实际工程应用中更具优势。
(4)本发明的利用有机力致发光材料动态可视化地监测裂纹尖端应力强度因子的方法， 荧光产生后在室温下和机械力卸载后不会消失，可以推广至其他复杂机械结构或加载条件，对 机械结构设计、健康检测具有重要的参考价值。
附图说明
图1：监测方法技术路线图。
图2A：2024铝合金拉伸试样荧光与灰度图像及应力-相对灰度关系曲线；
图2B：316L不锈钢拉伸试样荧光与灰度图像及应力-相对灰度关系曲线。
图3A：2024铝合金单边缺口试样在不同加载力下的荧光图像及灰度图像；
图3B：316L不锈钢单边缺口试样在不同加载力下的荧光图像及灰度图像。
图4：裂纹尖端附近选择区域。
图5：直方图分析及均衡化处理。
图6：滤波处理结果。
图7A：单边缺口试样荧光图像；
图7B：图像处理后的应力场表征；
图7C：荧光区域的边界曲线。
具体实施方式
具体检测方法路线图如图1所示。
(1)选择有机发光材料四硝基-四苯基乙烯(TPE-4N)作为材料；或利用化学方法合成。 合成方法见中国发明专利“多硝基取代四苯基乙烯化合物的制备及其应用”(发明专利申请号: CN 201310057959公开号:CN104003886A)。
(2)配制TPE-4N溶液，涂覆金属构件表面，并加热成膜。
样品1：将TPE-4N溶解于氯仿中，制备成浓度为0.01g/mL的TPE-4N溶液，用刷子将溶液涂 覆在金属表面，用热风枪在80℃加热30分钟成膜。
样品2：TPE-4N溶解于氯仿中，制备成浓度为0.03g/mL的TPE-4N溶液，用刷子将溶液涂覆 在金属表面，用热风枪在150℃加热2分钟成膜。
样品3：TPE-4N溶解于氯仿中，制备成浓度为0.05g/mL的TPE-4N溶液，用刷子将溶液涂覆 在金属表面，用热风枪在300℃加热1分钟成膜。加热工具可以使用热风枪、加热炉、加热套等，
(3)以上样品所制备的金属表层涂覆TPE-4N膜的结果一致。TPE-4N溶液在遮光低温处 保存。
(4)荧光强度标定。对涂有TPE-4N的2024铝合金和316L不锈钢拉伸试样进行单轴拉伸试 验，具体操作和图像处理方法参考中国发明专利“一种利用有机力致发光材料检测机械部件的 力学响应的方法”(发明专利申请号：CN201810258759.8公开号：CN108680288A)，分别建立 两种材料的荧光强度和应力的标定关系，即荧光强度的样本数据，如图2所示。
(5)单边缺口试样的拉伸实验。对涂有TPE-4N的2024铝合金和316L不锈钢单边缺口试样 进行拉伸实验，同样利用紫外光源激发、CCD照相机采集不同拉伸应力下的荧光图像，并通过 MATLAB软件转换为相应的灰度图像。如图3所示，加载前试样的没有明显的荧光，随着外加 应力的增加，缺口尖端出现应力集中，TPE-4N涂层的荧光响应很好地反映了这一过程，荧光 区域和荧光强度均逐渐增大。
(6)荧光图像的处理。对所记录的单边缺口试样的荧光图像进行图像处理，以用于分析 应力场。选取变形过程中试样表面荧光特征点，通过特征点的拉伸平移。选取1：如图4所示， 提取出裂纹尖端10mm×10mm的区域作为分析区域。选取2：提取出裂纹尖端2mm×2mm的区 域作为分析区域。分析结果一致。如图5所示，分析区域的灰度值进行直方图分析及均衡化处 理。随后如图6所示，再利用高斯滤波平滑图像，去高频，再用阈值处理(选取范围0.015-0.05)， 确定光斑区域的概率范围。接下来对原图采用阈值分割(参数0.04)、噪声区域去除及裂纹区 域的膨胀处理，得到如图7所示的结果。图7(A)和(B)分别是原始荧光图像及经过图像处 理后的图像，图7(C)是提取的裂纹尖端荧光区域的边界曲线，能够表征裂纹尖端的应力场。 最后对记录的原始图像进行相应的处理。
(7)利用力致荧光计算应力强度因子。利用图像处理后的荧光分布确定边界曲线所对应 的灰度值，通过已建立的荧光强度与应力的关系曲线得到该灰度值所对应的等效应力σe(即拉 伸应力σT)，从而，单边缺口试样的荧光强度曲线可以由实验测量的拉伸应力σT代替，荧光响 应场转化为有效应力场。在该边界曲线上正负y轴范围内选取15个点，结合点的坐标(r，θ), 代入公式(5)，进而求解出应力强度因子KⅠ、KⅡ及T应力。
为了验证本方法的准确性，使用ABAQUS有限元模拟计算了2024铝合金和316L不锈钢的 缺口裂纹尖端应力强度因子。表1和表2分别为2024铝合金和316L不锈钢的裂纹尖端应力强度 因子的实际监测结果和有限元仿真计算结果。本方法实时监测获得的KI与通过有限元仿真计算 的KI值，误差均在15％以内，从而说明了本方法用于动态监测裂纹尖端应力强度因子的可行性。
(8)将本方法实时监测到的应力强度因子KⅠ、KⅡ及T应力与材料本身的应力强度因子极 限Kc进行比较，当实际监测到的KI和KII小于Kc时结构安全，因此本方法对在役使用的含缺陷 工程结构进行安全评估。
表1 2024铝合金单边缺口试样应力强度因子计算结果
应力强度因子和T应力的单位分别为MPa·m1/2和MPa.
表2 316L不锈钢单边缺口试样应力强度因子计算结果
应力强度因子和T应力的单位分别为MPa·m1/2和MPa.
本发明是一种利用有机力致发光材料动态可视化地监测裂纹尖端应力强度因子的方法，包 括选择有机力致发光材料，制备有机力致发光材料溶液；在金属试样表面均匀涂敷所述的有机 力致发光材料溶液，加热成膜；标定荧光强度，建立荧光强度与应力的关系曲线；进行单边缺 口试样的拉伸实验，采集不同加载力下裂纹尖端的荧光图像；对荧光图像进行处理，定量获取 荧光区域的边界和强度；获取边界线的灰度值，通过荧光强度和应力的标定关系将荧光响应场 转换为等效应力场，在边界线上取点，提取出Ⅰ型应力强度因子KI、Ⅱ型应力强度因子KII及T 应力；与材料本身的应力强度因子极限Kc进行比较，当实际监测到的KI和KII小于Kc时结构安 全，因此本方法可以对在役使用的含缺陷工程结构进行安全评估。
本发明公开和提出的利用有机力致发光材料动态可视化监测裂纹尖端应力强度因子的方 法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法 和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神 和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需 要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包 括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (5)
1.一种利用有机力致发光材料监测裂纹尖端应力强度因子的方法，其特征在于包括以下步骤:
(1)选择有机力致发光材料作为材料，配制有机力致发光材料溶液；
(2)金属表面成膜：使用刷子将有机力致发光材料溶液均匀涂覆在金属表面，通过加热工具加热成膜；
(3)荧光强度标定：对涂有有机力致发光材料金属试样进行单轴拉伸试验，使用紫外光源作为激发光源照射试样上的涂层，通过荧光强度测量系统建立荧光强度和应力的关系曲线；分析像素的灰度值，利用像素灰度值表征荧光强度；
(4)单边缺口试样的拉伸实验：对涂覆有发光材料的单边缺口试样进行拉伸实验，同样使用紫外光源作为激发光源，实时记录不同载荷下的荧光图像；
(5)荧光图像的处理：通过选取变形过程中试样表面荧光特征点，通过特征点的拉伸平移提取出裂纹尖端2～10mm×2～10mm的区域作为分析区域，将选定区域的灰度值进行直方图分析及均衡化处理；再利用高斯滤波平滑图像，去高频，再用阈值处理0.015-0.05，确定光斑区域的概率范围；接下来对原图采用阈值分割参数0.04、噪声区域去除及裂纹区域的膨胀处理；最后对记录的原始图像进行相应的处理；获得裂纹尖端荧光区域的边界曲线，从而表征裂纹尖端的应力场；
(6)利用荧光图像计算应力强度因子：在图像处理后的获得的应力场上进行取点并获得该点荧光强度，通过标定的荧光强度和应力的关系曲线得到裂纹尖端应力场的值，进而通过基于偏应力准则得到的迭代公式求解出应力强度因子及T应力；
(7)与材料本身的应力强度因子极限Kc比较进行安全评定，当实测应力强度因子小于Kc时，结构安全。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是有机力致发光材料选用四硝基-四苯基乙烯材料，配制TPE-4N溶液浓度0.01～0.05g/mL；有机溶剂为氯仿。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是加热工具使用热风枪、加热炉或加热套；加热温度为80℃-300℃，加热时间1-30分钟。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是检测装置采用CCD照相系统或光谱仪。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是有机力致发光材料溶液预先制备避光保存，携带至被测机械部件的施工现场涂敷，利用热风枪或加热套工具加热成膜。
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