CN116046533B - 基于dic以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法 - Google Patents

基于dic以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，包括如下步骤：划分裂纹尖端节点的检测区域，制造散斑图像，搭建图像采集子系统并获取被测物体表面原始图像和实时图像；记录被测物变形前后表面的数字散斑图，通过数字图像相关法，得到物体表面位移场信息；基于物体表面位移场信息，构建虚拟网格，通过插值方法，计算出虚拟四边形网格的位移场；计算虚拟网格上的应力以及应变场，进一步计算裂纹尖端的J积分参数，进而求得裂纹尖端的强度因子。

Description

基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，属于光学测量和断裂力学研究技术领域。
背景技术
科技飞速发展使得我国高精尖装备建设实现跨越式发展，在实际作战或工程作业过程中，复杂环境将导致装备表层出现裂纹，从而导致装备性能下降和使用寿命大幅缩短。现阶段对细微裂纹的萌生以及扩展监测的方法有磁粉检测、应变片测量以及数字图像相关方法。目前，关于数字图像相关方法中，通过裂纹尖端应力场重构技术得出装备表面裂纹尖端应力强度因子实时数据和扩展规律尚未有公开的技术手段。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，准确计算出应力强度因子数值信息。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，包括如下步骤：
划分裂纹尖端节点的检测区域，制造散斑图像，搭建图像采集子系统并获取被测物体表面原始图像和实时图像；
记录被测物变形前后表面的数字散斑图，通过数字图像相关法，得到物体表面位移场信息；
基于物体表面位移场信息，构建虚拟网格，通过插值方法，计算出虚拟四边形网格的位移场；
计算虚拟网格上的应力以及应变场，进一步计算裂纹尖端的J积分参数，进而求得裂纹尖端的强度因子。
进一步地，前述获取被测物体表面原始图像和实时图像的步骤包括：
分析研判被测物体关键核心部位和容易发生损伤的部位，选取其裂纹尖端萌生处为中心，在附近喷绘散斑；
搭建图象实时采集装置，采集被测物体表面裂纹尖端附近散斑原始图像和实时图像。
进一步地，前述求得物体表面位移场信息的步骤包括：
在变形前图像中选取中心点P(x,y)，且以点P(x,y)为中心选取子区A，子区A尺寸为M×M像素；
通过粒子群算法在变形后的图像中，不断搜索变形后中心点位置并基于变形后中心点位置构建新的子区A'，计算子区A和子区A'的散斑场相关系数，直到相关系数取得极大值，相关系数计算表达式为：
其中，和I'(x′i,y′j)分别为试件变形前后图像的某点灰度值，和/>分别为图像子区变形前后的灰度平均值；
取相关系数极大值中的子区A'为匹配子区，根据变形前图像中的位置坐标值P(x,y)和匹配子区中的中心点位置坐标值P'(x',y')计算像素位移量。
进一步地，前述计算虚拟四边形网格位移场的步骤包括：
构建裂纹尖端生成的虚拟网格，虚拟网格为6×6的四节点四边形单元，单元的边长为M像素；
通过前述数字图像方法分别求得虚拟网格节点(xp，yp)左下方、右下方、右上方以及左上方距离该节点最近点的位移量u(x1,y1)、u(x2,y1)、u(x2,y2)以及u(x1,y2)；
基于u(x1,y1)、u(x2,y1)、u(x2,y2)以及u(x1,y2)，通过插值法求得该节点(xp，yp)的位移u(xp,yp)：
进一步地，前述计算裂纹尖端的强度因子的步骤包括：
按照弹性材料的本构关系以及变换后的虚拟网格位移场，计算出虚拟网格积分点的应力以及应变场；
基于虚拟网格的应力以及应变场数据，以虚拟网格为积分区域，进行J积分的数值计算；
基于J积分的计算结果，计算裂纹尖端的强度因子。
进一步地，前述虚拟网格的应力以及应变场表达式为：
εi＝Biu
σi＝Dεi
其中，εi为单元第i个积分点上的应变，Bi为单元第i个积分点上的几何矩阵，u为单元上节点的位移向量，σi为单元第i个积分点上的应力，D为单元的材料矩阵，E和ν分别为材料的弹性模量与泊松比。
进一步地，前述J积分的计算表达式为：
其中，σxx、σyy以及τxy分别为x方向、y方向以及切向的应力，u1和u2分别为沿着x方向、y方向的位移，q为虚拟网格区域上的函数，w为应变能密度，NE-VIR为虚拟单元的个数，N-G为积分点的数目，Wj为积分点对应的权重。
进一步地，前述当q在虚拟网格最外侧的边界上时，q为0；否则，q为1.0。
进一步地，前述I型以及II型断裂强度因子KI和KII表达式为：
本发明所达到的有益效果：
本发明属于一种非接触式的光学测量方法，可以避免接触式测量方法带来的仪器灵敏度误差，另一方面本发明还可以避免裂纹尖端应力场奇异引起的强度因子计算误差。
附图说明
图1是本发明图像采集装置原理图；
图2是本发明变形前物体表面数字散斑图；
图3是本发明变形后物体表面数字散斑图；
图4是本发明裂纹尖端虚拟网格；
图5是本发明插值方法计算示意图。
具体实施方式
下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
本实施例公开了一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，实施步骤包括：
1)划分裂纹尖端节点的检测区域，制造散斑图像，搭建图像采集子系统并获取被测物体表面原始图像和实时图像；
分析研判被测物体关键核心部位和容易发生损伤的部位，选取其裂纹尖端萌生处为中心，在附近喷绘散斑并安装图象实时采集装置对这些部位进行实时拍照获取表面图像，图1为图像采集装置原理图，利用此装置采集被测物体表面裂纹尖端附近散斑原始图像和实时图像，通过type-c接口进行有线传输至计算机终端。
2)记录被测物变形前后表面的两幅数字散斑图，通过数字图像相关法，得到物体表面位移场信息；
如图2所示，在变形前数字散斑图上选一点P(x,y)，并且以点P(x,y)为中心选取一个子区A，假设其尺寸为M×M像素。
如图3所示，当物体表面发生了变形，子区A移动到新的位置，其灰度场、中心点均会发生改变，通过粒子群算法在变形后的数字散斑图中，不断搜索变形后中心点位置并构建新的子区A'，计算子区A和子区A'的散斑场相关系数，直到相关系数取得极大值。子区A'中灰度场的分布由I(x,y)变成I'(x',y')，中心点由P(x,y)变成P'(x',y')。
取相关系数极大值中的子区A'为匹配子区，根据变形前图像中的位置坐标值P(x,y)和匹配子区中的位置坐标值P'(x',y')计算像素位移量，即为物体表面位移场信息。
相关系数计算表达式如下
其中，I(xi,yj)和I'(x′i,y′j)分别为试件变形前后图像的某点灰度值，Im和I'm分别为图像子区变形前后的灰度平均值，其计算公式分别为
3)基于物体表面位移场信息，构建虚拟网格，通过插值方法，计算出虚拟四边形网格的位移场；
首先构建虚拟网格：图4为构建的裂纹尖端生成的虚拟网格，虚拟网格由6×6的四节点四边形单元构成，单元的边长同前述步骤中的子区边长一致，为M像素。
根据数字图像方法获得的位移场信息，通过插值方法获取虚拟网格上节点的位移值。插值方法如下，如图5，假设P点(xp，yp)为虚拟网格上任意一点。A点(x1，y1)为数字图像方法获得的位移场中，P点左下方，距离P点最近的点。同理，B点(x2，y1)、C点(x2，y2)以及D点(x1，y2)分别为位移场中P点右下方、右上方以及左上方，距离P点最近的点。通过前述数字图像方法获得A点、B点(x2，y1)、C点(x2，y2)以及D点的位移分别为u(x1,y1)、u(x2,y1)、u(x2,y2)以及u(x1,y2)。
首先插值计算出E点以及F点的位移u(xp,y1)和u(xp,y2)。
进一步插值计算出P点的位移u(xp,yp)
如此，可以计算出虚拟网格上所有节点的位移。
4)通过计算虚拟网格上的应力以及应变场，进一步计算裂纹尖端的J积分参数，进而计算裂纹尖端的强度因子；
4.1按照弹性材料的本构关系以及变换后的虚拟网格位移场，计算出虚拟网格积分点的应力以及应变场：
εi＝Biu
其中，εi为单元第i个积分点上的应变，Bi为单元第i个积分点上的几何矩阵，u为单元上节点的位移向量。
σi＝Dεi
其中，σi为单元第i个积分点上的应力，D为单元的材料矩阵。D的计算表达式如下
其中，E和ν分别为材料的弹性模量与泊松比。
4.2以虚拟网格为积分区域，利用上一步中单元积分点上的应力以及应变数据进行J积分的数值计算：
J积分等效区域计算的表达式为：
其中，积分区域A对应虚拟网格区域。σxx、σyy以及τxy分别为积分点处x方向，y方向以及切向的应力。u1和u2分别为积分点处沿着x方向，y方向的位移。q为虚拟网格区域上的函数，当q在虚拟网格最外侧的边界上时，q为0。当q不在虚拟网格最外侧的边界上时，q为1.0。w为应变能密度。
那么，在整个虚拟网格区域上，J积分的计算表达式为
其中，NE-VIR为虚拟单元的个数，N-G为积分点的数目，Wj为积分点对应的权重。
最后，计算I型以及II型断裂强度因子KI和KII：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
划分裂纹尖端节点的检测区域，制造散斑图像，搭建图像采集子系统并获取被测物体表面原始图像和实时图像；
记录被测物变形前后表面的数字散斑图，通过数字图像相关法，得到物体表面位移场信息；
基于物体表面位移场信息，构建虚拟网格，通过插值方法，计算出虚拟四边形网格的位移场：
构建裂纹尖端生成的虚拟网格，所述虚拟网格为6×6的四节点四边形单元，所述单元的边长为M像素；
通过前述数字图像相关法分别求得虚拟网格节点(xp，yp)左下方、右下方、右上方以及左上方距离该节点最近点的位移量u(x1,y1)、u(x2,y1)、u(x2,y2)以及u(x1,y2)；
基于u(x1,y1)、u(x2,y1)、u(x2,y2)以及u(x1,y2)，通过插值法求得该节点(xp，yp)的位移u(xp,yp)：
按照弹性材料的本构关系以及变换后的虚拟网格位移场，计算虚拟网格上积分点处的应力以及应变场：
εi＝Biu
σi＝Dεi
其中，εi为单元第i个积分点上的应变，Bi为单元第i个积分点上的几何矩阵，u为单元上节点的位移向量，σi为单元第i个积分点上的应力，D为单元的材料矩阵，E和ν分别为材料的弹性模量与泊松比；
基于虚拟网格积分点处的应力以及应变场数据，以虚拟网格为积分区域，进一步计算裂纹尖端的J积分参数，进而求得裂纹尖端的断裂强度因子。
2.根据权利要求1所述的一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，其特征在于，所述获取被测物体表面原始图像和实时图像的步骤包括：
分析研判被测物体关键核心部位和容易发生损伤的部位，选取其裂纹尖端萌生处为中心，在附近喷绘散斑；
搭建图像实时采集装置，采集被测物体表面裂纹尖端附近散斑原始图像和实时图像。
3.根据权利要求2所述的一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，其特征在于，求得所述物体表面位移场信息的步骤包括：
在变形前图像中选取中心点P(x,y)，且以点P(x,y)为中心选取子区A，所述子区A尺寸为M×M像素；
通过粒子群算法在变形后的图像中，不断搜索变形后中心点位置并基于变形后中心点位置构建新的子区A′，计算子区A和子区A′的散斑场相关系数，直到相关系数取得极大值，所述相关系数计算表达式为：
其中，I(xi,yj)和I′(x′i,y′j)分别为试件变形前后图像的某点灰度值，和/>分别为图像子区变形前后的灰度平均值；
取相关系数极大值中的子区A′为匹配子区，根据变形前图像中的位置坐标值P(x,y)和匹配子区中的中心点位置坐标值P′(x′,y′)计算像素位移量。
4.根据权利要求1所述的一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，其特征在于，所述J积分的计算表达式为：
其中，σxx、σyy以及τxy分别为积分点处x方向、y方向以及切向的应力，u1和u2分别为积分点处沿着x方向、y方向的位移，q为虚拟网格区域上的函数，w为应变能密度，NE-VIR为虚拟单元的个数，N-G为积分点的数目，Wj为积分点对应的权重。
5.根据权利要求4所述的一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，其特征在于，所述当q在虚拟网格最外侧的边界上时，q为0；否则，q为1.0。
6.根据权利要求5所述的一种基于DIC以及应力场重构的裂纹尖端应力强度因子测量方法，其特征在于，所述断裂强度因子包括I型以及II型断裂强度因子KI和KII，其表达式为：
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"Evaluation of stress intensity factor for arbitrary and low-quality meshes using virtual grid-based stress recovery (VGSR)".《Engineering FractureMechanics》.摘要及总结部分. *
基于DIC谐振载荷作用下疲劳裂纹尖端位移应变场测量;高红俐;刘欢;齐子诚;郑欢斌;;兵器材料科学与工程(第01期);全文 *
基于数字图像相关的J积分测量方法;蒋玮;蒋险峰;黄裕龙;;机械强度(第03期);第1-2部分 *
数字图像相关法测量聚碳酸酯板应力强度因子;张蕊;贺玲凤;;工程力学(第12期);全文 *

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