CN113865487A - 一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法，步骤为：(1)搭建疲劳裂纹扩展试验平台，清晰显示裂纹监测区域；(2)采集疲劳裂纹扩展图像；(3)计算试件表面位移场；(4)实现不同循环下的疲劳裂纹尖端定位；(5)不同循环下的裂纹长度测量；(6)实时显示裂纹扩展路径。本发明能够实现疲劳裂纹扩展的实时监测，克服疲劳裂纹扩展实验需通过终止试验测量裂纹长度的缺点，提高了疲劳裂纹扩展试验效率；消除了因裂纹闭合现象导致的裂纹长度测量误差，并将宏观尺度的疲劳裂纹试验的测量精度提高到微米量级；该方法测量精度高、响应速度快、操作简单、适用范围广。

Description

一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法
技术领域
本发明涉及航空航天发动机技术领域，具体涉及一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测及疲劳裂纹长度实时测量方法，它是一种能够提高材料力学性能检测效率和改进材料疲劳寿命评估精度的方法。
背景技术
航空发动机关键构件在其服役过程中，经常会出现不同类型的损伤(如裂纹、腐蚀、凹坑、磨损等)，其中疲劳裂纹是最常见的损伤形式之一。开展结构疲劳裂纹扩展试验，探究材料疲劳断裂规律，对提高结构的可靠性和使用寿命有着十分重要的意义。其中，疲劳裂纹长度是研究疲劳扩展规律的重要力学指标。因此，需要发展一种精确、高效的疲劳裂纹长度测量方法。
通常情况下，疲劳裂纹扩展试验需要花费大量的时间。常用的目视法由于需要中断试验和人工测量，导致较低的测量效率和精度。现有的在线疲劳裂纹测量方法有柔度法、电位法以及声发射法等，然而，这些方法因涉及较多计算变量、抗干扰能力差以及设备复杂等问题，导致较低的测量精度。
随着计算视觉技术的发展，基于数字图像处理的方法被用于疲劳裂纹检测，具有良好的测量精度和效率，这种非接触式的测量方法具有测试过程简单、测试环境要求较低、数据处理便捷等优点。
现有文献Vanlanduit S,Vanherzeele J,Longo R,et al.A digital imagecorrelation method for fatigue test experiments[J].Optics and Lasers inEngineering,2009,47(3-4):371-378.中提出了基于数字图像相关法的结构表面位移场计算，文中利用边缘检测算法对结构表面位移场结果进行处理并测量裂纹长度。但在疲劳循环加载过程中，裂纹尖端塑性区会导致小范围屈服，从而导致裂纹闭合现象。在采集的裂纹图像中，裂纹闭合区域灰度分布与背景相同，导致基于灰度边缘检测方法难以检测真实裂纹尖端。
综上，传统的疲劳裂纹长度测量方法测量过程复杂，测量精度难以保证；现有的基于数字图像处理的方法难以测量真实疲劳裂纹。
发明内容
本发明解决的技术问题是：本发明提出一种疲劳裂纹扩展监测方法，可以实现实时、高精度的真实疲劳裂纹尖端定位与裂纹长度测量方法以及裂纹扩展路径显示。首先，采集疲劳裂纹扩展试验中的图像，然后利用本发明提出的裂纹尖端定位与裂纹长度测量算法实时测量疲劳裂纹长度，最后实时显示裂纹扩展路径。本发明的一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法，实现疲劳裂纹扩展过程中真实裂纹尖端定位、裂纹长度测量以及裂纹扩展路径实时显示。
本发明的技术解决方案是：
一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：按照疲劳试验的测量需求，搭建疲劳裂纹扩展试验平台，将显微镜和高速相机置于待测试件正前方适当位置，并调节显微镜焦距，直到与高速相机连接的计算机能够清晰显示裂纹监测区域为止。
步骤二：采用高速相机记录疲劳裂纹扩展试验前和试验中的同一载荷下的试件表面图像。
步骤三：采用数字图像相关法计算试验过程中试件表面位移场。
步骤四：利用疲劳裂纹尖端定位算法，计算不同循环下的裂纹尖端坐标。
步骤五：利用疲劳裂纹长度测量算法，测量不同循环下的裂纹长度。
步骤六：利用疲劳裂纹路径描述方法，在裂纹图像中显示裂纹扩展路径。
本发明与现有疲劳裂纹长度测量方法相比的优点在于：
(1)本发明可实现疲劳裂纹扩展实时监测，不必中断疲劳裂纹扩展试验即可实现疲劳裂纹长度测量，大大提高了疲劳裂纹扩展试验效率，缩短了实验时间。
(2)本发明发展了一种高精度和高分辨率的疲劳裂纹长度测量方法，可检测真实裂纹尖端，消除了因裂纹闭合现象导致的测量误差，并将宏观视野的疲劳裂纹测量精度提高到微米量级。
(3)本发明可实现疲劳裂纹扩展路径实时显示。
附图说明
图1为本发明一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法流程图。
图2为高速相机拍摄的第0加载循环下的试件数字图像。
图3为高速相机拍摄的疲劳裂纹扩展过程中第10000加载循环下的疲劳裂纹图像。
图4为本发明基于数字图像相关法测量的第10000加载循环下的疲劳裂纹全场位移结果。
图5为本发明的疲劳裂纹尖端定位算法流程图。
图6为本发明测量的疲劳裂纹尖端定位结果与疲劳裂纹扩展路径实时显示结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明可实现疲劳裂纹扩展过程中疲劳裂纹尖端坐标定位、疲劳裂纹长度测量以及疲劳裂纹扩展路径实时显示，根据本发明的一个实施例，对本发明一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法作进一步说明。如图1所示，本发明具体过程如下：
步骤一：按照疲劳试验的测量需求，搭建疲劳裂纹扩展试验平台，将显微镜和高速相机置于待测试件正前方适当位置，并调节显微镜焦距，直到与高速相机连接的计算机能够清晰显示裂纹监测区域为止。
步骤二：采用高速相机记录疲劳裂纹扩展试验前和试验中的同一载荷下的试件表面图像。在疲劳裂纹扩展试验开始之前，采集试件某一载荷下的图像作为“参考图像”，如图2所示。在疲劳裂纹扩展试验过程中，采集试件加载过程中同一载荷下的图像作为“当前图像”，如图3所示。
步骤三：采用数字图像相关法计算试验过程中试件表面位移场。以“参考图像”为原始图像，计算“当前图像”的变形位移场，如图4所示。
步骤四：利用裂纹尖端定位算法，计算不同循环下的裂纹尖端坐标，其算法流程图如图5所示。由图4的变形位移场可以获取每个像素点位置处的位移值(图4的实际尺寸为11.25mm×7.50mm，数字图像分辨率为3072pix×2048pix，则每个像素对应的区域为3.70μm×3.70μm，裂纹尖端定位与裂纹长度测量精度达到微米量级)，在待测结构表面存在裂纹时，沿拉伸方向(图4中Y方向)会出现非连续的位移场，该非连续位移场会导致局部位移值的突变，通过寻找该非连续位移场尾部突变位移值的像素点位置，即可确定裂纹尖端位置，然后利用裂纹尖端位置像素点坐标与初始裂纹位置像素点坐标，即可求得疲劳裂纹长度。
设疲劳试验不同循环数下的变形位移场为U(m×n矩阵)，沿加载方向每一列相邻两像素点的位移值差值的绝对值记为D，然后，每一列D的最大值记为Dmax，遍历整个位移场记录每一列Dmax的横坐标和纵坐标记为Dmax像素位置，公式如下：
D(i,j)＝|U(i+1,j)-U(i,j)|,i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m (1)
Figure BDA0003275332550000041
式中，D(i,j)为位移差的绝对值，Dmax,j为第j个加载循环的D最大值。则曲线Dmax的拐点即为裂纹尖端的位置。
则设初始裂纹位置坐标为P0(xm,yn)，疲劳加载后的裂纹尖端位置坐标为Pc(xm,yn)，n＝1,2,3,……,C，C为疲劳加载的循环数，利用裂纹长度测量算法确定P0与Pc的位置，即求非连续位移场中位移值突变点的位置，求沿Y方向相邻两个像素点位移值差值的绝对值的最大值，沿X方向遍历整个位移场，在连续位移场与非连续位移场交界处会存在一个突变点，该突变点即为裂纹尖端的坐标Pc(xm,yn)。
步骤五：利用裂纹长度测量算法，测量不同循环下的裂纹长度。设裂纹尖端初始位置坐标值P0(xm,yn)与第C个加载循环下的裂纹尖端坐标值Pc(xm,yn)，求得裂纹长度L。
L＝|Pc(xm,yn)P0(xm,yn)| (3)
步骤六：利用所提出裂纹路径描述方法，在裂纹图像中显示裂纹扩展路径。记录每个循环下的裂纹尖端像素坐标，并将该像素坐标在“当前图像”中描绘出来，即可实时显示裂纹扩展路径，如图6所示。
从上述具体实施过程来看，本发明提出了疲劳裂纹尖端定位、裂纹长度实时测量以及裂纹扩展路径实时显示的方法。首先，不再需要停止疲劳扩展试验进行裂纹长度的测量，提高了疲劳裂纹扩展试验效率；其次，提高了疲劳裂纹尖端检测精度，消除了因裂纹闭合现象导致的测量误差；然后，将宏观视野的疲劳裂纹测量精度提高到微米量级，本实施例中宏观视野为(11.25mm×7.50mm)，每个像素对应的区域为3.70μm×3.70μm；最后，实现了疲劳裂纹扩展过程实时显示。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤一：按照疲劳试验的测量需求，搭建疲劳裂纹扩展试验平台，将显微镜和高速相机置于待测试件正前方预定位置，并调节显微镜焦距，直到与高速相机连接的计算机能够清晰显示裂纹监测区域为止；
步骤二：采用高速相机记录疲劳裂纹扩展试验前和试验中的同一载荷下的试件表面图像；
步骤三：采用数字图像相关法计算试验过程中试件表面位移场；
步骤四：利用疲劳裂纹尖端定位算法，计算不同循环下的裂纹尖端坐标；
步骤五：利用疲劳裂纹长度测量算法，测量不同循环下的裂纹长度；
步骤六：利用疲劳裂纹路径描述方法，在裂纹图像中显示裂纹扩展路径。
2.根据权利要求1所述的一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法，其特征在于：
所述步骤四、步骤五及步骤六中，在待测结构表面存在裂纹时，沿拉伸方向会出现非连续的位移场，该非连续位移场会导致局部位移值的突变，通过寻找该非连续位移场尾部突变位移值的像素点位置，实现疲劳裂纹尖端定位；然后利用裂纹尖端位置像素点坐标与初始裂纹位置像素点坐标，即实现疲劳裂纹长度测量；最后在疲劳裂纹扩展图像中将每个循环下的裂纹尖端像素坐标定位出来，实现疲劳裂纹扩展路径实时显示。
3.根据权利要求1所述的一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法，其特征在于：所述疲劳裂纹尖端定位方法，设疲劳试验不同循环数下的变形位移场为U，U为m×n矩阵，沿加载方向每一列相邻两像素点的位移值差值的绝对值记为D，然后，每一列D的最大值记为Dmax，遍历整个位移场记录每一列Dmax的横坐标和纵坐标记为Dmax像素位置，公式如下：
D(i,j)＝|U(i+1,j)-U(i,j)|,i＝1,2,…,n；j＝1,2,…,m (1)
Figure FDA0003275332540000011
式中，D(i,j)为位移差的绝对值，Dmax,j为第j个加载循环的D最大值，则曲线Dmax的拐点即为裂纹尖端的位置；则设初始裂纹位置坐标为P0(xm,yn)，疲劳加载后的裂纹尖端位置坐标为Pc(xm,yn)，n＝1,2,3,……,C，C为疲劳加载的循环数，利用裂纹长度测量算法确定P0与Pc的位置，即求非连续位移场中位移值突变点的位置，求沿Y方向相邻两个像素点位移值差值的绝对值的最大值，沿X方向遍历整个位移场，在连续位移场与非连续位移场交界处会存在一个突变点，该突变点即为裂纹尖端的坐标Pc(xm,yn)。
4.根据权利要求1所述的一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法其特征在于：所述疲劳裂纹长度测量方法，利用裂纹长度测量算法，测量不同循环下的裂纹长度，设裂纹尖端初始位置坐标值P0(xm,yn)与第C个加载循环下的裂纹尖端坐标值Pc(xm,yn)，求得裂纹长度L＝|Pc(xm,yn)P0(xm,yn)|。
5.根据权利要求1所述的一种基于结构表面位移场的疲劳裂纹扩展实时监测方法其特征在于：裂纹路径描述方法，在裂纹图像中显示裂纹扩展路径，具体为：
记录每个循环下的裂纹尖端像素坐标，并将该像素坐标在“当前图像”中描绘出来，即可实时显示裂纹扩展路径。
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