RU2672035C1 - Method of testing crack resistance of samples of polymer composite materials - Google Patents
Method of testing crack resistance of samples of polymer composite materials Download PDFInfo
- Publication number
- RU2672035C1 RU2672035C1 RU2018102096A RU2018102096A RU2672035C1 RU 2672035 C1 RU2672035 C1 RU 2672035C1 RU 2018102096 A RU2018102096 A RU 2018102096A RU 2018102096 A RU2018102096 A RU 2018102096A RU 2672035 C1 RU2672035 C1 RU 2672035C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- crack
- sample
- length
- beginning
- reference point
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
Abstract
Description
Изобретение относится к области исследований прочностных свойств материалов, а именно к способам испытания на трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов.The invention relates to the field of research of the strength properties of materials, and in particular to methods for testing the crack resistance of samples of polymer composite materials.
Испытания на трещиностойкость (определение вязкости разрушения) полимерных композиционных материалов проводятся для оценки сопротивления материалов росту трещины и определению константы GIC (критическая работа расслоения).Fracture tests (determination of the fracture toughness) polymer composites are conducted to assess crack growth resistance of materials and determination of the constants G IC (critical work bundle).
Одной из основных задач при проведении испытаний на трещиностойкость является измерение длины трещины как во время испытания, так и при последующей обработке результатов.One of the main tasks when conducting tests for crack resistance is to measure the length of the crack both during the test and in the subsequent processing of the results.
Существует ряд стандартов, определяющих перечень требований к проведению испытаний на трещиностойкость, например, ASTM 5528 (Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites) и его российская адаптация ГОСТ 56815-2015 (Композиты полимерные. Метод определения удельной работы расслоения в условиях отрыва GIC).There are a number of standards that define the list of requirements for fracture toughness testing, for example, ASTM 5528 (Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites) and its Russian adaptation GOST 56815-2015 (Polymer composites. Determination method specific work of separation in terms of separation G IC ).
Согласно этим стандартам, для определения длины трещины должен использоваться оптический микроскоп.According to these standards, an optical microscope must be used to determine the crack length.
Известен способ испытания на трещиностойкость образцов композиционных материалов (RU 2267767, 2006), включающий нагружение растягивающим усилием образцов с предварительно выполненной трещиной и определение трещиностойкости на основании обработки результатов измерений длины трещины. Недостатком данного способа является отсутствие информации о методах измерения длины трещины, что исключает возможность автоматической обработки результатов измерения с заданной достоверностью.A known method for testing the crack resistance of samples of composite materials (RU 2267767, 2006), including loading the tensile force of the samples with a pre-made crack and determining the crack resistance based on processing the measurement results of the length of the crack. The disadvantage of this method is the lack of information on methods for measuring the length of the crack, which excludes the possibility of automatic processing of the measurement results with a given reliability.
Известен способ испытания на трещиностойкость образцов материалов (US 8094922, 2012), в котором прикладывают к образцу материала в виде бруса с предварительно выполненной трещиной усилие, в процессе приложения усилия освещают образец и формируют временную последовательность цифровых изображений образца в отраженном свете, на каждом цифровом изображении образца определяют положение вершины трещины и вычисляют ее длину, причем положение вершины трещины определяют посредством измерения интенсивности пикселей вдоль линии трещины на каждом цифровом изображении образца.There is a known method for testing the crack resistance of samples of materials (US 8094922, 2012), in which a force is applied to a sample of a material in the form of a bar with a pre-made crack, during the application of forces, the sample is illuminated and a temporary sequence of digital images of the sample in reflected light is formed, on each digital image of the sample, the position of the crack tip is determined and its length is calculated, and the position of the crack tip is determined by measuring the intensity of pixels along the crack line on each qi moat image sample.
Известный способ не применим к проведению испытаний образцов полимерных композиционных материалов в виде бруса, поскольку в отличие от последних трещина в известном решении выполняется в середине длины образца, а не на его конце, что исключает применение методики расчета длины трещины по указанным выше стандартам.The known method is not applicable to testing samples of polymer composite materials in the form of a bar, because unlike the latter, the crack in the known solution is performed in the middle of the length of the sample, and not at its end, which excludes the application of the methodology for calculating the crack length according to the above standards.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ испытания на трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов (US 9528945, 2016) в виде бруса, в котором размещают на контрастном фоне образец материала с предварительно выполненной на его конце трещиной, прикладывают к образцу материала растягивающее усилие, в процессе приложения растягивающего усилия освещают образец, измеряют прикладываемое усилие и формируют временную последовательность цифровых изображений образца в отраженном свете, на каждом цифровом изображении образца определяют положение вершины трещины и вычисляют ее длину, и на основании вычисленных значений длины трещины и измеренного значения прикладываемого усилия определяют характеристику трещиностойкости образца, причем положение вершины трещины определяют посредством измерения интенсивности пикселей вдоль линии трещины на каждом цифровом изображении образца.The closest analogue of the claimed invention is a method for testing the crack resistance of samples of polymer composite materials (US 9528945, 2016) in the form of a bar in which a sample of material with a crack preformed at its end is placed on a contrasting background, a tensile force is applied to the sample of the material, during application tensile forces illuminate the sample, measure the applied force and form a temporary sequence of digital images of the sample in reflected light, on each digital The image of the sample determine the position of a crack vertices and calculating its length and based on the calculated values of the crack length and the measured value of the applied force is determined cracking resistance characteristic of the sample, and crack tip position is determined by measuring the intensity of pixels along the crack line on each digital image of the sample.
В известном способе исследуют трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов с формой, близкой к квадратной, причем растягивающее усилие прикладывают к середине образца. Данный способ не учитывает случай использования образцов с формой, соответствующей ГОСТ 56815-2015, согласно которому образцы должны иметь форму бруса с длиной, превышающей ширину более чем в 5 раз, а растягивающее усилие должно прикладываться к концу образца с трещиной.In the known method, the crack resistance of samples of polymer composite materials with a shape close to square is examined, and a tensile force is applied to the middle of the sample. This method does not take into account the case of using samples with a shape corresponding to GOST 56815-2015, according to which the samples should have the shape of a bar with a length exceeding the width of more than 5 times, and a tensile force should be applied to the end of the sample with a crack.
Кроме того, начало трещины согласно указанным стандартам отсчитывается от точки, положение которой остается неизменным относительно захватов, растягивающих противоположные поверхности конца образца. Указанная точка в процессе испытания будет значительно смещаться вдоль направления развития трещины из-за соответствующего смещения поверхностей конца образца (см. фиг. 1). Без учета данных смещений невозможно корректно определить длину трещины, что в свою очередь существенно снижает точность проведения испытаний на трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов.In addition, the crack initiation, according to the indicated standards, is counted from a point whose position remains unchanged relative to grips stretching opposite surfaces of the end of the specimen. The indicated point during the test will be significantly displaced along the direction of crack development due to the corresponding displacement of the surfaces of the end of the specimen (see Fig. 1). Without taking into account these displacements, it is impossible to correctly determine the crack length, which in turn significantly reduces the accuracy of the fracture toughness tests of samples of polymer composite materials.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании способа испытания на трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов в форме бруса, при котором возможно корректное измерение длины трещины в автоматическом режиме.The technical problem to which the claimed invention is directed is to create a method for testing the crack resistance of samples of polymer composite materials in the form of a beam, in which it is possible to correctly measure the length of a crack in an automatic mode.
Техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является повышение точности определения характеристик трещиностойкости образцов полимерных композиционных материалов за счет более точного измерения длины трещины в процессе их испытания.The technical result achieved by the claimed invention is to increase the accuracy of determining the fracture toughness characteristics of samples of polymer composite materials due to a more accurate measurement of the crack length during their testing.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе испытания на трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов в виде бруса размещают на контрастном фоне образец материала с предварительно выполненной на его конце трещиной, прикладывают к образцу материала растягивающее усилие, в процессе приложения растягивающего усилия освещают образец, измеряют прикладываемое усилие и формируют временную последовательность цифровых изображений образца в отраженном свете, на каждом цифровом изображении образца определяют положение вершины трещины и вычисляют ее длину, и на основании вычисленных значений длины трещины и измеренного значения прикладываемого усилия определяют характеристику трещиностойкости образца, причем положение вершины трещины определяют посредством измерения интенсивности пикселей вдоль линии трещины на каждом цифровом изображении образца, для вычисления длины трещины на одном из цифровых изображений задают контрольный сегмент в окрестности характерной точки, в качестве последней выбирают точку, положение которой остается неизменным относительно точки отсчета начала длины трещины в процессе испытания, на каждом цифровом изображении образца определяют положение контрольного сегмента посредством сравнения цифровых изображений, вычисляют смещение точки отсчета начала длины трещины относительно контрольного сегмента и по результатам вычисления определяют положение точки отсчета начала длины трещины, а длину трещины вычисляют как длину кривой между вершиной трещины и точкой отсчета начала длины трещины на соответствующем изображении, причем растягивающее усилие прикладывают к упомянутому концу образца.The specified technical result is achieved due to the fact that in the method for testing the crack resistance of samples of polymer composite materials in the form of a bar, a sample of material with a crack previously made at its end is placed on a contrasting background, a tensile force is applied to the material sample, the sample is illuminated in the process of applying tensile force, measure the applied force and form a temporary sequence of digital images of the sample in reflected light, on each digital image zts determine the position of the crack tip and calculate its length, and based on the calculated values of the crack length and the measured value of the applied force, the crack resistance characteristic of the sample is determined, and the position of the crack tip is determined by measuring the pixel intensity along the crack line in each digital image of the sample to calculate the crack length on one of the digital images sets the control segment in the vicinity of the characteristic point, as the last one select the point whose position th remains unchanged relative to the reference point of the beginning of the crack length during the test, on each digital image of the sample, the position of the control segment is determined by comparing digital images, the offset of the reference point of the beginning of the length of the crack relative to the control segment is calculated, and the position of the reference point of the beginning of the crack length is determined from the calculation results, and the crack length is calculated as the length of the curve between the crack tip and the reference point of the beginning of the crack length in the corresponding image, wherein a tensile force is applied to said end of the sample.
Существенность отличительных признаков подтверждается тем, что только совокупность всех действий и операций, описывающая изобретение позволяет решить поставленную техническую проблему с достижением заявленного технического результата, так как определение положения точки отсчета начала длины трещины относительно контрольного сегмента в окрестности характерной точки на каждом цифровом изображении с последующим вычислением длины трещины как длины кривой между вершиной трещины и точкой отсчета начала длины трещины с приложением растягивающего усилия к концу образца позволяет учитывать смещение точки поверхности конца образца, от которой отсчитывается начало длины трещины в процессе испытания образца полимерного композиционного материала, и за счет этого более точно измерять ее длину, повышая тем самым точность определения характеристик трещиностойкости данного образца.The significance of the distinguishing features is confirmed by the fact that only the totality of all actions and operations describing the invention allows to solve the technical problem posed with achieving the claimed technical result, since determining the position of the reference point of the beginning of the crack length relative to the control segment in the vicinity of the characteristic point in each digital image with subsequent calculation crack lengths as the length of the curve between the crack tip and the reference point of the beginning of the crack length with the application of The tensile force toward the end of the sample allows one to take into account the displacement of the point of the surface of the end of the sample, from which the beginning of the crack length is measured during the testing of the polymer composite material sample, and due to this, more accurately measure its length, thereby increasing the accuracy of determining the crack resistance characteristics of this sample.
Дополнительным техническим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является повышение скорости обработки данных.An additional technical result achieved by the claimed invention is to increase the speed of data processing.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами.The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by drawings.
На фиг. 1 представлено цифровое изображение образца в процессе испытания;In FIG. 1 is a digital image of the sample during the test;
на фиг. 2 представлены графики распределения интенсивности пикселей вдоль линий 1 и 2 на фиг. 1;in FIG. 2 shows graphs of the distribution of pixel intensity along
на фиг. 3 представлен график распределения интенсивности пикселей с уровнями интенсивности и зоной нечувствительности трещины;in FIG. 3 is a graph of pixel intensity distribution with intensity levels and a crack dead zone;
на фиг. 4 представлено цифровое изображение образца в процессе испытания с множеством линий, вдоль которых анализируется распределение интенсивности пикселей;in FIG. 4 is a digital image of the sample during the test with many lines along which the distribution of pixel intensity is analyzed;
на фиг. 5 представлено укрупненное изображение начала трещины в процессе испытания с отслеживанием перемещения точки отсчета начала трещины;in FIG. 5 is an enlarged image of the crack initiation during the test, tracking the movement of the reference point of the crack initiation;
на фиг. 6 представлено цифровое изображение образца с определением длины трещины;in FIG. 6 is a digital image of a specimen with crack length determination;
на фиг. 7 представлен интерфейс программы для выполнения способа по настоящему изобретению с загруженными данными;in FIG. 7 shows a program interface for executing a method of the present invention with downloaded data;
на фиг. 8 представлен интерфейс программы с функцией калибровки изображения;in FIG. 8 shows a program interface with an image calibration function;
на фиг. 9 представлен интерфейс программы с функцией задания контрольных сегментов;in FIG. 9 shows the program interface with the function of defining control segments;
на фиг. 10 представлен интерфейс программы с областью расчета трещины;in FIG. 10 shows the program interface with the crack calculation area;
на фиг. 11 представлен вид графиков распределения интенсивности пикселей в программе;in FIG. 11 is a view of graphs of the distribution of pixel intensity in the program;
на фиг. 12 представлен вид таблицы данных, получаемых в программе по результатам испытания.in FIG. 12 is a view of a table of data obtained in a program based on test results.
Способ испытания на трещиностойкость образцов полимерных композиционных материалов осуществляется следующим образом.The test method for crack resistance of samples of polymer composite materials is as follows.
На этапе (1) размещают на контрастном фоне образец материала в виде бруса с предварительно выполненной на его конце трещиной.At step (1), a sample of material in the form of a bar with a crack previously made at its end is placed on a contrasting background.
Для создания контраста между поверхностью образца и фоном, в частном случае, торцевая поверхность образца, вдоль которой будет развиваться трещина, может быть покрыта тонким слоем белой матовой алкидной краски.To create a contrast between the surface of the sample and the background, in the particular case, the end surface of the sample along which a crack will develop can be coated with a thin layer of white matte alkyd paint.
В соответствии с ГОСТ 56815-2015, длина бруса может более чем в 5 раз превышать его ширину, при этом трещина создается по центру ширины образца.In accordance with GOST 56815-2015, the length of the beam can be more than 5 times its width, while a crack is created in the center of the width of the sample.
На этапе (2) прикладывают к образцу материала растягивающее усилие, в процессе приложения растягивающего усилия освещают образец, измеряют прикладываемое усилие и формируют временную последовательность цифровых изображений образца в отраженном свете (фиг. 1).At step (2), a tensile force is applied to the material sample, during the application of the tensile force, the sample is illuminated, the applied force is measured and a temporary sequence of digital images of the sample in reflected light is formed (Fig. 1).
Данный этап может быть осуществлен на различных установках, например, могут быть использованы испытательные машины Instron 5985 и УТС 110-МН, для каждой из которых разрабатывается своя процедура импорта данных. В результате каждая из процедур дает на выходе однотипный двумерный массив данных, столбцами которого являются время и приложенное усилие.This stage can be carried out at various facilities, for example, Instron 5985 and UTS 110-MN testing machines can be used, each of which has its own procedure for importing data. As a result, each of the procedures gives an output of the same type two-dimensional data array, the columns of which are time and applied effort.
Растягивающее усилие согласно заявленному изобретению прикладывается к упомянутому концу образца, на котором выполнена трещина. Для этого могут использоваться два захвата, устанавливаемые на противоположных поверхностях конца образца, и передающие на них растягивающее усилие в процессе испытания, в результате чего указанные поверхности смещаются, как показано на фиг. 1. В качестве захватов, по ГОСТ 56815-2015, могут быть использованы петли, блоки нагружения или вилки.A tensile force according to the claimed invention is applied to said end of a specimen on which a crack is made. For this, two grips can be used, which are installed on opposite surfaces of the end of the specimen and transmit tensile force to them during the test, as a result of which these surfaces are displaced, as shown in FIG. 1. As grippers, according to GOST 56815-2015, loops, loading blocks or forks can be used.
В качестве средства для формирования временной последовательности цифровых изображений образца может быть использована фотокамера, видеокамера или оптический микроскоп с функцией съемки в автоматическом режиме.As a means for forming a time sequence of digital images of a sample, a camera, video camera or optical microscope with the automatic shooting function can be used.
При испытании на установке УТС 110-МН используется программное обеспечение VIC Snap, входящее в оптический измерительный комплекс VIC-3D. Результатом работы приложения является последовательность изображений образца с трещиной в формате TIFF с заданным интервалом времени в процессе испытания.When testing on the UTS 110-MN installation, VIC Snap software is used, which is part of the VIC-3D optical measuring complex. The result of the application is a sequence of images of a specimen with a crack in the TIFF format with a given time interval during the test.
В случае использования испытательной машины Instron 5985 видеокамера подключается непосредственно к управляющему компьютеру. Программное обеспечение BlueHill, используемое на установке Instron 5985, позволяет получать изображения с видеокамеры, записывая в ходе эксперимента видеофайл формата AVI, который далее экспортируется в серию TIFF изображений.When using the Instron 5985 test machine, the camcorder is connected directly to the host computer. The BlueHill software used on the Instron 5985 installation allows you to receive images from a video camera by recording an AVI video file during the experiment, which is then exported to a series of TIFF images.
На этапе (3) на каждом цифровом изображении образца определяют положение вершины Т трещины и вычисляют ее длину.At step (3), on each digital image of the sample, the position of the crack tip T is determined and its length is calculated.
Согласно изобретению, данный этап делится на несколько подэтапов.According to the invention, this step is divided into several sub-steps.
На подэтапе (3.1) положение вершины Т трещины определяют посредством измерения интенсивности пикселей вдоль линии трещины на каждом цифровом изображении образца.In sub-step (3.1), the position of the crack tip T is determined by measuring the intensity of pixels along the crack line in each digital image of the sample.
В частном случае, на данном подэтапе для каждого цифрового изображения строят графики интенсивности пикселей вдоль линий, перпендикулярных направлению развития трещины.In the particular case, in this sub-step, for each digital image, graphs of pixel intensities are constructed along lines perpendicular to the direction of crack development.
В качестве примера, на фиг. 1 показаны две линии, вдоль которых может быть осуществлено построение указанных графиков интенсивности, представленных на фиг. 2а) (линия 1) и б) (линия 2).As an example, in FIG. 1 shows two lines along which the construction of the indicated intensity graphs shown in FIG. 2a) (line 1) and b) (line 2).
Анализируя данные графики, можно определить параметры, характеризующие уровни интенсивностей пикселей изображения: пороговое значение Ут уровня интенсивности пикселей, соответствующих трещине на цифровых изображениях образца, и уровень границы образца (Уг) (фиг. 3).By analyzing the graph data, it is possible to determine the parameters characterizing the intensity levels of image pixels: the threshold value Ut of the intensity level of pixels corresponding to a crack in the digital images of the sample, and the level of the border of the sample (Ug) (Fig. 3).
Поскольку интенсивность поверхности образца существенно выше интенсивности фона (в частности, в случае покраски поверхности образца на этапе (1)), по результатам анализа цифровых изображений можно легко определить границы образца и установить уровень границы образца. В частном случае, в качестве уровня границ образца устанавливают максимальное значение интенсивности пикселей за пределами видимых границ образца на одном из изображений, умноженное на экспериментально установленный коэффициент, характеризующий допустимые отклонения в уровне интенсивности пикселей вне границ образца в ходе испытания. Например, указанный коэффициент может составлять одиннадцать десятых.Since the intensity of the surface of the sample is significantly higher than the background intensity (in particular, in the case of painting the surface of the sample at stage (1)), it is easy to determine the boundaries of the sample from the results of the analysis of digital images and establish the level of the boundary of the sample. In the particular case, the maximum value of the pixel intensity outside the visible boundaries of the sample on one of the images, multiplied by an experimentally established coefficient characterizing the permissible deviations in the level of pixel intensity outside the sample boundaries during the test, is set as the level of the sample boundaries. For example, the specified ratio may be eleven tenths.
Для определения порогового значения уровня интенсивности пикселей, соответствующих трещине на цифровых изображениях образца, на нескольких цифровых изображениях выделяют зону нечувствительности, в которой затруднено определение трещины. Зона нечувствительности выделена на фиг. 3 серым цветом.To determine the threshold value of the intensity level of pixels corresponding to a crack in digital images of a sample, a dead zone is identified in several digital images in which crack detection is difficult. The deadband is highlighted in FIG. 3 grayed out.
На фиг. 2 видна принципиальная разница между участком образца без трещины и участком образца, имеющим трещину. На графике б) интенсивности пикселей, соответствующем участку образца с трещиной, образуется спад. В случае расположения трещины по центру ширины образца, отклонение данного спада от центра толщины должно составлять не более чем 15-20%.In FIG. Figure 2 shows the fundamental difference between the portion of the specimen without a crack and the portion of the specimen having a crack. On the graph b) the intensity of the pixels corresponding to the area of the specimen with a crack, a recession is formed. If the crack is located in the center of the sample width, the deviation of this decline from the center of the thickness should be no more than 15-20%.
В то же время, оба представленных графика имеют зону интенсивности, характеризующуюся относительно высоким и неравномерным уровнем интенсивности, которую принимают за зону нечувствительности. По результатам анализа указанной зоны на нескольких изображениях, устанавливают пороговое значение уровня интенсивности пикселей, соответствующих трещине на цифровых изображениях образца. В частности, в качестве порогового значения уровня интенсивности трещины устанавливают минимальное значение интенсивности пикселей в зоне нечувствительности, умноженное на экспериментально установленный коэффициент, характеризующий допустимые отклонения в уровне интенсивности пикселей в зоне нечувствительности в ходе испытания. Например, указанный коэффициент может составлять девять десятых.At the same time, both graphs presented have an intensity zone characterized by a relatively high and uneven intensity level, which is taken as a dead zone. Based on the results of the analysis of this zone in several images, a threshold value of the intensity level of pixels corresponding to a crack in the digital images of the sample is set. In particular, the minimum value of the pixel intensity in the dead zone multiplied by the experimentally established coefficient characterizing the allowable deviations in the level of pixel intensity in the dead zone during the test is set as the threshold value of the crack intensity level. For example, the specified ratio may be nine tenths.
Величина зоны нечувствительности зависит от качества покраски образца, качества измерительной камеры, качества освещения, нанесенных на образец меток, методов обработки изображений.The size of the deadband depends on the quality of the painting of the sample, the quality of the measuring chamber, the quality of the lighting applied to the sample marks, image processing methods.
После определения указанных параметров на каждом графике находят границы образца и выбирают среди них график, в котором пороговое значение уровня интенсивности превышает минимальное значение интенсивности пикселей в пределах границ образца, а расстояние от указанного конца образца с трещиной до линии, вдоль которой построен график, является минимальным, и точку с указанным минимальным значением интенсивности пикселей в пределах границ образца на выбранном графике принимают в качестве положения вершины Т трещины.After determining these parameters on each graph, find the boundaries of the sample and choose among them a graph in which the threshold value of the intensity level exceeds the minimum value of the pixel intensity within the boundaries of the sample, and the distance from the specified end of the sample with a crack to the line along which the graph is built is minimal , and the point with the specified minimum value of the pixel intensity within the boundaries of the sample on the selected graph is taken as the position of the crack tip T.
Например, на фиг. 4 пунктирными показаны линии, у которых соответствующий график интенсивности имеет спад, подобный представленному на фиг. 2, б), а сплошными показаны линии, у которых соответствующий график интенсивности не имеет спада подобно графику, представленному на фиг. 2, а). В качестве вершины Т на фиг. 4 выбрана точка, соответствующая спаду на графике интенсивности последней по направлению развития трещины пунктирной линии. Посредством увеличения числа линий, по которым строятся соответствующие графики, можно дополнительно повысить точность определения вершины трещины.For example, in FIG. 4, dashed lines are those in which the corresponding intensity graph has a falloff similar to that shown in FIG. 2b), and solid lines show the lines for which the corresponding intensity graph does not drop, similar to the graph shown in FIG. 2a). As the vertex T in FIG. 4, the point corresponding to the recession on the graph of the intensity of the last in the direction of crack development of the dashed line is selected. By increasing the number of lines on which the corresponding plots are built, the accuracy of determining the crack tip can be further improved.
На подэтапе (3.2) на одном из цифровых изображений задают контрольный сегмент в окрестности характерной точки, в качестве последней выбирают точку, положение которой остается неизменным относительно точки отсчета начала длины трещины в процессе испытания, на каждом цифровом изображении образца определяют положение контрольного сегмента посредством сравнения цифровых изображений, вычисляют смещение точки отсчета начала длины трещины относительно контрольного сегмента и по результатам вычисления определяют положение точки отсчета начала длины трещины.In sub-step (3.2), on one of the digital images, a control segment is set in the vicinity of the characteristic point, the last point is selected, the position of which remains unchanged relative to the reference point of the crack length during the test; on each digital image of the sample, the position of the control segment is determined by comparing the digital image, calculate the offset of the reference point of the beginning of the length of the crack relative to the control segment and the results of the calculation determine the position of the reference point on ala crack length.
Под «характерной точкой» в рамках настоящей заявки понимается точка, положение которой наиболее точно идентифицируется на каждом цифровом изображении образца.Under the "characteristic point" in the framework of this application refers to a point whose position is most accurately identified on each digital image of the sample.
В частном случае, в качестве контрольного сегмента задают сегмент в окрестности болтов одного из захватов, растягивающих образец (см. фиг. 5) размера, достаточного для идентификации его положения на каждом цифровом изображении образца.In the particular case, as a control segment, a segment is set in the vicinity of the bolts of one of the grips stretching the sample (see Fig. 5) of a size sufficient to identify its position on each digital image of the sample.
Точка S отсчета начала длины трещины задается стандартом ГОСТ 56815-2015 как точка, расположенная между опорами захватов, растягивающих образец.The reference point S of the beginning of the crack length is specified by GOST 56815-2015 as a point located between the supports of the grips that stretch the specimen.
По первому изображению (фиг.5, а) в последовательности цифровых изображений можно определить смещение контрольного сегмента относительно точки S отсчета начала длины трещины, а на последующих изображениях (фиг.5, б) по данному смещению можно вычислить положение точки S' отсчета начала длины трещины.From the first image (Fig. 5, a) in the sequence of digital images, it is possible to determine the offset of the control segment relative to the point S of the origin of the crack length, and in subsequent images (Fig. 5, b) from this offset, you can calculate the position of the point S 'of the origin of the length cracks.
Данный подэтап применим для определения положения точки отсчета начала длины трещины на каждой из двух сторон трещины.This sub-step is applicable for determining the position of the reference point of the beginning of the crack length on each of the two sides of the crack.
На подэтапе (3.3) вычисляют длину трещины как длину кривой между вершиной Т трещины и точкой S' отсчета начала длины трещины на соответствующем изображении (фиг. 6).In the sub-step (3.3), the crack length is calculated as the length of the curve between the crack tip T and the reference point S 'of the beginning of the crack length in the corresponding image (Fig. 6).
Длина трещины может определяться как длина ветви параболы с вершиной в точке Т, что соответствует линии деформирования при консольном изгибе образца.The crack length can be determined as the length of the parabola branch with the apex at point T, which corresponds to the deformation line during cantilever bending of the sample.
Поскольку в процессе приложения растягивающего усилия точка S отсчета начала длины трещины смещается в продольном и поперечном направлениях, как показано на фиг. 5, 6, вычисление длины трещины как длины кривой между вершиной Т трещины и точкой S' с учетом ее смещения позволяет более точно измерять длину трещины в процессе испытания.Since during the application of the tensile force, the reference point S of the beginning of the crack length shifts in the longitudinal and transverse directions, as shown in FIG. 5, 6, the calculation of the crack length as the length of the curve between the crack tip T and the point S ', taking into account its displacement, allows more accurate measurement of the crack length during the test.
На завершающем этапе (4) на основании вычисленных значений длины трещины и измеренного значения прикладываемого усилия определяют характеристику трещиностойкости образца.At the final stage (4), based on the calculated values of the crack length and the measured value of the applied force, the fracture toughness characteristic of the sample is determined.
В частном случае, для определения характеристики трещиностойкости образца материала могут быть вычислены значения критической работы расслоения GIC по формуле согласно ГОСТ 56815-2015:In the particular case, to determine the crack resistance characteristics of the material sample, the critical work values of the G IC bundle can be calculated by the formula according to GOST 56815-2015:
Р - прикладываемое усилие;P is the applied force;
а - длина трещины в процессе испытания;a is the length of the crack during the test;
b - ширина образца;b is the width of the sample;
Е - модуль Юнга;E is Young's modulus;
L - длина образца.L is the length of the sample.
В данном случае, для сопоставления значений измеренной длины трещины и приложенной нагрузки может быть осуществлена синхронизация данных прикладываемого усилия с испытательной машины и длины трещины на каждом изображении по временным меткам, фиксируемым испытательной машиной.In this case, to compare the values of the measured crack length and the applied load, the data of the applied force from the testing machine and the crack length in each image can be synchronized according to time stamps recorded by the testing machine.
Этапы (3) и (4) могут быть реализованы с помощью программы для ЭВМ, интерфейс которой с загруженными данными представлен на фиг. 7.Steps (3) and (4) can be implemented using a computer program, the interface of which with the downloaded data is shown in FIG. 7.
Слева вводятся основные параметры обработки, такие как место расположения файла данных с испытательной машины, папки с фотографиями, длина образца, алгоритм обработки изображения и его переменные, параметры калибровки изображения и алгоритмов технического зрения.On the left, the basic processing parameters are entered, such as the location of the data file from the testing machine, folders with photos, sample length, image processing algorithm and its variables, image calibration parameters and vision algorithms.
В середине располагаются данные эксперимента и изображения, по которым будет определяться длина трещины.In the middle are the experimental data and the images by which the crack length will be determined.
Справа располагаются расчетные параметры эксперимента, а также графики интенсивности изображения.On the right are the calculated experiment parameters, as well as graphs of the image intensity.
С целью обработки и для повышения контрастности изображения в программе могут использоваться различные таблицы отображения яркости (LUT), например, степенная, логарифмическая и другие. По сравнению с базовым изображением на изображении становится более ясно видно образец с установленными на нем зажимами. Для дальнейшего примера использовалось логарифмическое преобразование.For the purpose of processing and to increase the contrast of the image in the program, various brightness display tables (LUTs) can be used, for example, power, logarithmic and others. Compared to the base image, the image with clips mounted on it becomes more clearly visible. For a further example, a logarithmic transformation was used.
Для перевода длины отрезка из пикселей в миллиметры используется функция калибровки изображения (фиг. 8). На одном из изображений строится отрезок по предмету с известной длиной (в данном случае - по испытываемому образцу с нанесенными метками), при этом длина отрезка автоматически рассчитывается в соответствующей ячейке, а оператор задает реальную длину отрезка. При нажатии кнопки «Рассчитать» производится подсчет коэффициента пересчета длины отрезка.To convert the length of the segment from pixels to millimeters, the image calibration function is used (Fig. 8). One of the images is used to construct a segment for an object with a known length (in this case, for a test sample with marked marks), while the length of the segment is automatically calculated in the corresponding cell, and the operator sets the real length of the segment. When you click the "Calculate" button, the conversion factor for the length of the segment is calculated.
После калибровки с помощью вспомогательной панели инструментов выделяются два контрольных сегмента, по которым будет рассчитываться точка отсчета начала длины трещины, в данном случае болты захватов (фиг. 9). При нажатии кнопок «Шаблон 1» или «Шаблон 2» шаблоны сохраняются в память. Уровень соответствия на последующих изображениях задается соответствующим коэффициентом.After calibration, using the auxiliary toolbar, two control segments are selected according to which the reference point of the beginning of the crack length will be calculated, in this case, the gripper bolts (Fig. 9). When you click the "
Для определения длины трещины выделяется область, показанная на фиг. 10. Область разбивается на 20 линий (количество может регулироваться).To determine the crack length, the region shown in FIG. 10. The area is divided into 20 lines (the amount can be adjusted).
Вдоль указанных линий строятся графики интенсивности, некоторые из которых показаны на фиг. 11 (а-в). Прямоугольный пик связан с пересечением одной из указанных выше линий поверхности образца. На фиг. 11, а) показано распределение интенсивности вдоль линии 1 (фиг. 10). На фиг. 11, в) показано распределение интенсивности вдоль линии 15. На последнем графике видно падение интенсивности изображения в центре прямоугольного пика, что говорит о наличии трещины на поверхности образца. Четкости определения трещины может помешать плохая контрастность образца, как, например, вдоль линии 4 (фиг. 11, б). Видно «дробление» сигнала в начальной области образца, что связано с нанесенными на поверхность образца метками. Данную проблему можно устранить более аккуратной подготовкой образца на этапе (1).Intensity plots are plotted along these lines, some of which are shown in FIG. 11 (a-c). The rectangular peak is associated with the intersection of one of the above surface lines of the sample. In FIG. 11a) shows the intensity distribution along line 1 (Fig. 10). In FIG. 11c) shows the intensity distribution along
Расчет длины трещины происходит автоматически (фиг. 7). Программа определяет по графикам интенсивности изображения вершину трещины, затем по заданным контрольным сегментам рассчитывается точка отсчета начала длины трещины. Между этими двумя точками определяется расстояние в пикселях, а потом с помощью калибровочного коэффициента оно пересчитывается в миллиметры. При этом оператор может отказаться от автоматического определения трещины и перейти в автоматизированный режим. Тогда длина трещины определяется по отрезку, указанному оператором.The calculation of the crack length occurs automatically (Fig. 7). The program determines the top of the crack from the graphs of the image intensity, then the reference point of the beginning of the length of the crack is calculated from the given control segments. The distance in pixels is determined between these two points, and then it is converted into millimeters using the calibration coefficient. In this case, the operator may refuse to automatically detect cracks and switch to automated mode. Then the crack length is determined by the segment specified by the operator.
График нагрузки и маркеры (в центре сверху на фиг. 7) позволяют оператору совместить данные с испытательной установки и изображения с камеры. В итоге в правом верхнем углу строится таблица данных (фиг. 12), включающая измеренные значения длины трещины и соответствующие значения GIC по выбранным оператором временным точкам.The load graph and markers (in the center from the top in Fig. 7) allow the operator to combine data from the test setup and camera images. As a result, in the upper right corner is constructed data table (FIG. 12) including the measured crack length and the corresponding values G IC in selected time points operator.
Использование данной программы позволяет сократить время обработки результатов испытания с одного часа до 5-10 минут.Using this program allows you to reduce the processing time of test results from one hour to 5-10 minutes.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018102096A RU2672035C1 (en) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | Method of testing crack resistance of samples of polymer composite materials |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018102096A RU2672035C1 (en) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | Method of testing crack resistance of samples of polymer composite materials |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2672035C1 true RU2672035C1 (en) | 2018-11-08 |
Family
ID=64103384
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018102096A RU2672035C1 (en) | 2018-01-19 | 2018-01-19 | Method of testing crack resistance of samples of polymer composite materials |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2672035C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2799034C1 (en) * | 2023-01-12 | 2023-07-03 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" | Method for determining the crack resistance indices of composite materials with transverse reinforcement with a stitching thread |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU177668A1 (en) * | В. П. Максимов, С. М. Миронов , А. И. Сухарев | DEVICE FOR CONTINUOUS MEASUREMENT AND REGISTRATION OF VALUES OF DEFORMATION OF SAMPLE TAGS | ||
| SU1307311A1 (en) * | 1985-12-03 | 1987-04-30 | Всесоюзный Проектно-Конструкторский И Технологический Институт Вторичных Ресурсов Госснаба Ссср | Method of determining operation compatibility of multicomponent polymer systems |
| SU1744580A1 (en) * | 1990-05-21 | 1992-06-30 | Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации | Method of estimating equivalent damaging impact of cyclic loads |
| US20160061748A1 (en) * | 2014-08-28 | 2016-03-03 | The Boeing Company | Systems and methods for detecting crack growth |
-
2018
- 2018-01-19 RU RU2018102096A patent/RU2672035C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU177668A1 (en) * | В. П. Максимов, С. М. Миронов , А. И. Сухарев | DEVICE FOR CONTINUOUS MEASUREMENT AND REGISTRATION OF VALUES OF DEFORMATION OF SAMPLE TAGS | ||
| SU1307311A1 (en) * | 1985-12-03 | 1987-04-30 | Всесоюзный Проектно-Конструкторский И Технологический Институт Вторичных Ресурсов Госснаба Ссср | Method of determining operation compatibility of multicomponent polymer systems |
| SU1744580A1 (en) * | 1990-05-21 | 1992-06-30 | Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации | Method of estimating equivalent damaging impact of cyclic loads |
| US20160061748A1 (en) * | 2014-08-28 | 2016-03-03 | The Boeing Company | Systems and methods for detecting crack growth |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2799034C1 (en) * | 2023-01-12 | 2023-07-03 | Акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" им. А.Г.Ромашина" | Method for determining the crack resistance indices of composite materials with transverse reinforcement with a stitching thread |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6958494B2 (en) | Displacement amount measuring device, displacement amount measuring method and displacement amount measuring program | |
| CN104075954B (en) | Hardness-testing device and hardness measuring method | |
| KR20160077704A (en) | Method of obtaining reliable true stress-strain curves in a large range of strains in tensile testing using digital image correlation | |
| Dupré et al. | Detection of cracks in refractory materials by an enhanced digital image correlation technique | |
| JP2017090071A (en) | Hardness tester and hardness testing method | |
| Richter‐Trummer et al. | Analysis of crack growth behavior in a double cantilever beam adhesive fracture test by different digital image processing techniques | |
| Krull et al. | Automatic optical crack tracking for double cantilever beam specimens | |
| Safavizadeh et al. | Utilizing digital image correlation (DIC) in asphalt pavement testing | |
| US8094922B2 (en) | Crack measuring method and apparatus | |
| RU2672035C1 (en) | Method of testing crack resistance of samples of polymer composite materials | |
| US10969318B2 (en) | Hardness tester and program | |
| RU2451282C1 (en) | Method for determining mechanical characteristics of materials | |
| KR101224477B1 (en) | Quantitative evaluation of scratch-induced damages on polymeric and coating materials | |
| US11650112B1 (en) | Crack propagation and deformation measurement method coupling infrared and visible light images | |
| CN114518289A (en) | Control method for deformation strain control by video acquisition | |
| Bulava et al. | Determination of material parameters using video extensometry during tensile testing | |
| JP2742640B2 (en) | Automatic crack growth dimension measurement device | |
| Dipova | Automated strain measurements in uniaxial testing via computer vision | |
| DE202019002569U1 (en) | System for infrared-based imaging quality control and process monitoring of concrete products | |
| JPS59204741A (en) | Automatic hardness measuring device | |
| KR101010794B1 (en) | Method and apparatus for analyzing laser beam image of laser vision system | |
| Ambriško et al. | Measurement of the steady state tearing in thin sheets using the contactless system | |
| de Carvalho et al. | Fiber Reinforced Concrete Crack Opening Evaluation Using Digital Image Correlation Techniques | |
| KR102653004B1 (en) | Method for tracing displacement fields and stress fields at structures containing discontinuous regions using non-ordinary state-based peridynamics and digital image correlation | |
| Silva et al. | Strain analysis in diametral compression test through digital image correlation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC43 | Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions |
Effective date: 20210804 |