RU2773260C1 - Способ определения коэффициента интенсивности напряжений для трещины в конструкции - Google Patents
Способ определения коэффициента интенсивности напряжений для трещины в конструкции Download PDFInfo
- Publication number
- RU2773260C1 RU2773260C1 RU2021114277A RU2021114277A RU2773260C1 RU 2773260 C1 RU2773260 C1 RU 2773260C1 RU 2021114277 A RU2021114277 A RU 2021114277A RU 2021114277 A RU2021114277 A RU 2021114277A RU 2773260 C1 RU2773260 C1 RU 2773260C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- intensity factor
- determining
- stress intensity
- crack
- determined
- Prior art date
Links
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 31
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 4
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract description 4
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 abstract 3
- 208000001285 Stress Fractures Diseases 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 18
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 14
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 11
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 2
- 241000232219 Platanista Species 0.000 description 1
- 210000003491 Skin Anatomy 0.000 description 1
- 230000001427 coherent Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области экспериментальной механики и предназначено для определения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) для усталостных трещин, возникающих в полноразмерных тонкостенных авиационных конструкциях в процессе их циклического нагружения в эксплуатации. Способ заключается в измерении перемещений берегов трещины, расчете коэффициента интенсивности по аппроксимирующим перемещения функциям, параметры которых определяют методом наименьших квадратов. Для реализации способа на поверхность конструкции в зоне вершины трещины с помощью красителя наносят контрастную спекл-структуру. Выполняют калибровку стереосистемы, состоящей из двух видеокамер, при помощи калибровочной решетки, которую устанавливают в то же положение и на том же расстоянии от камер, что и исследуемая область. Стереосистемой регистрируют цифровое изображение исходного состояния спекл-структуры поверхности. Нагружают конструкцию и стереосистемой регистрируют спекл-структуру деформированного состояния поверхности конструкции. Определяют перемещение точек на поверхности конструкции методом численной корреляции цифровых изображений. Технический результат заключается в повышении точности определения КИН для трещин больших размеров в натурных тонкостенных конструкциях. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к области экспериментальной механики и предназначено для определения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) для усталостных трещин, возникающих в полноразмерных тонкостенных авиационных конструкциях в процессе их циклического нагружения в эксплуатации. При расчетах живучести металлических конструкций с применением параметров механики разрушения требуется знание КИН для элементов различной формы, отличающихся схемой приложения нагрузок, геометрией и размером трещины. Прогнозирование живучести основано на концепции силового параметра механики разрушения КИН, полученного при анализе упругих деформаций в вершине неподвижной трещины при статическом нагружении.
Известны способы определения КИН по результатам измерений напряженно-деформированного состояния в окрестности вершины трещины или по результатам измерений раскрытия трещины в ее вершине.
Аналоги способа определения КИН по результатам измерений напряженно-деформированного состояния в окрестности вершины трещины изложены в публикациях «Расчет коэффициентов интенсивности напряжений в вершине сквозной трещины по данным тензометрии», Ученые записки ЦАГИ, том XVIII, №5, 1987 г и «Совершенствование определения коэффициента интенсивности напряжений методом малобазной тензометрии» Вестник ЮУрГУ, серия «Строительство и архитектура», том 15, №3 стр. 32-37, 2015 г. В публикациях предложен способ определения КИН по данным тензометрии малобазными тензодатчиками на основе метода аппроксимирующих функций, неизвестные параметры которых определяют методом наименьших квадратов или методом коллокаций.
Предложенные методы имеют ряд существенных недостатков, ограничивающих их применение во многих случаях для сложных тонкостенных конструкций:
- на расположение розеток тензодатчиков накладываются жесткие ограничения по расстоянию от вершины трещины, так как увеличение расстояния между точкой измерения и вершиной трещины приводит к увеличению погрешности определения КИН;
- тензодатчики должны иметь малую базу измерений для измерения напряжения в точке, так как в окрестности вершины трещины существует большой градиент напряжений;
для обеспечения необходимой точности определения КИН необходимо большое количество розеток для исключения случайной ошибки измерений;
- элемент конструкции должен находиться в условиях плоского напряженного состояния, а трещина в вершине должна быть прямолинейной.
Аналог способа определения КИН по результатам измерений раскрытия трещины в ее вершине изложен в публикации «Определение коэффициентов интенсивности напряжений в вершине сквозной трещины по полям перемещений», Ученые записки ЦАГИ, том XIX, №6, 1988 г. Предложен способ определения коэффициентов интенсивности напряжений первого и второго рода в вершине сквозной трещины для анизотропной и изотропной пластины, находящейся в условиях плоского напряженного состояния, по перемещениям, полученным с помощью методов когерентной оптики. Для расчета КИН используют метод аппроксимирующих функций, параметры которых определяют методом наименьших квадратов.
Недостаток способа заключается в необходимости установки пластины в испытательную машину для ее нагружения, а для измерения перемещений необходимо на исследуемый участок наносить скрещенный металлизированный растр и регистрировать муаровую картину на фотопластинку. Эти требования исключают возможность применения способа для определения КИН для трещины в полноразмерной тонкостенной конструкции.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа предлагаемого способа, является «Способ определения коэффициента интенсивности напряжений для трещин», патент RU 2667316 C1, G01L 1/24, G01N 3/08, 18.09.2017, бюл. 26. В данном способе образец с трещиной устанавливают в усталостную машину и циклическим нагружением увеличивают длину трещины на малое приращение Δa n, и измеряют раскрытие трещины в середине этого приращения и определяют КИН расчетным методом. Для измерения раскрытия трещины образец устанавливают в оптическую схему интерферометра, регистрируют исходное состояние спекл-структуры поверхности видеокамерой, после увеличения длины трещины регистрируют спекл-структуру деформированного состояния поверхности образца, визуализируют картину интерференционных полос на основе полученных изображений и определяют раскрытие трещины в точке начала приращения ее длины и в центральной точке этого приращения. Определяют величину коэффициента интенсивности напряжений для приращения трещины расчетным методом.
Недостаток способа заключается в необходимости установки образца в испытательную машину для его циклического нагружения с целью образования трещины от надреза и ее подрастания на длину a n, а для измерения ее раскрытия необходимо установить оптическую схему интерферометра неподвижно относительно образца. Эти требования исключают возможность применения способа для определения КИН для трещины в полноразмерной тонкостенной конструкции.
Задачей предлагаемого изобретения является определение КИН для трещин больших размеров в натурных тонкостенных конструкциях.
Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении точности определении КИН для трещин больших размеров в натурных тонкостенных конструкциях. Ключевым моментом разработанного способа является измерение смещения берегов трещины между двумя экспозициями в ненагруженном и нагруженном состояниях, полученных методом численной корреляции цифровых изображений.
Технический результат достигается тем, что в способе определения коэффициента интенсивности напряжений для трещины в конструкции, включающем регистрацию исходного и деформированного состояний спекл-структур поверхности видеокамерой и определение величины коэффициента интенсивности напряжений расчетным методом, на поверхность конструкции в зоне трещины наносят краситель, образующий контрастную спекл-структуру, устанавливают стереосистему, состоящую из двух видеокамер, выполняют ее калибровку при помощи калибровочной решетки, которую устанавливают в то же положение и на том же расстоянии от камер, что и исследуемая область, регистрируют стереосистемой цифровое изображение исходного и деформированного состояний спекл-структуры поверхности, определяют перемещение точек на поверхности методом численной корреляции цифровых изображений, аппроксимируют перемещения функцией, по параметрам которой определяют величину коэффициента интенсивности напряжений.
Перемещения точек на поверхности аппроксимируют функцией:
где
ν - поперечная компонента перемещения вдоль оси у;
E - модуль упругости материала;
μ - коэффициент Пуассона;
Am - коэффициенты, подлежащие определению;
r и θ - радиальное и угловое расстояния от вершины трещины.
Коэффициенты Am определяют методом наименьших квадратов, минимизируя функционал, который представляет собой сумму квадратов невязок (разностей) между измеренными перемещениями и вычисленными по приведенному соотношению.
По значению первого коэффициента А1 определяют величину коэффициента интенсивности напряжений
Перечень фигур:
- на фиг. 1 изображена схема измерений;
- на фиг. 2 изображена система координат;
- на фиг. 3 изображены перемещения в направлении v;
- на фиг. 4 изображены перемещения берегов трещины v по результатам измерений и по аппроксимирующей зависимости.
На фиг. 1 изображено: 1 - фрагмент отсека гермофюзеляжа, 2 - трещина, 3 - видеокамеры, 4 - штатив.
На фиг. 2 изображено: 2 - трещина, 5 - вершина трещины.
На фиг. 3 изображено: 2 - трещина, 5 - вершина трещины, 6 - шкала.
На фиг. 4 изображено: 7 - расстояние от вершины трещины [мм], 8 - перемещения [мм], 9 - измеренные перемещения, 10 - аппроксимированные перемещения.
Способ осуществляют следующим образом. На поверхность конструкции 1 в зоне вершины трещины 2 с помощью красителя наносят контрастную спекл-структуру. При помощи стереосистемы 3, состоящей из двух видеокамер, регистрируют цифровое изображение исходного состояния спекл-структуры поверхности. Регистрацию цифровых изображений осуществляют мобильным компьютером с пакетом специализированных программ для обработки изображений. Перед началом измерений проводят калибровку системы при помощи калибровочной решетки, которую устанавливают в то же положение и на том же расстоянии от камер, что и исследуемая область. Нагружают конструкцию, и при помощи стереосистемы регистрируют спекл-структуру деформированного состояния поверхности конструкции. Определяют перемещение точек на поверхности конструкции методом численной корреляции цифровых изображений. Для этого изображение поверхности разбивают на сектора и анализируют перемещение рисунка поверхности в пределах каждого такого элементарного окна. Максимум корреляции соответствует перемещению поверхности и дает длину и направление вектора для каждого элементарного окна. Перемещения апроксимируют функцией, по которой определяют величину коэффициента интенсивности напряжений.
Перемещения аппроксимируют функцией:
где
ν - поперечная компонента перемещения вдоль оси у;
Е - модуль упругости материала;
μ - коэффициент Пуассона;
Am - коэффициенты, подлежащие определению;
r и θ - радиальное и угловое расстояния от вершины трещины.
Коэффициенты Am определяют методом наименьших квадратов, минимизируя функционал, который представляет собой сумму квадратов невязок (разностей) между измеренными перемещениями и вычисленными по приведенной функции. Для этого решают систему из n линейных уравнений с неизвестными Am
По значению первого коэффициента А1 определяют величину коэффициента интенсивности напряжений
Способ апробирован при определении КИН для трещины в обшивке между стрингерами длиной 0,524 м и разрушенным центральным шпангоутом в натурной конструкции отсека цилиндрической части гермофюзеляжа среднемагистрального самолета 1. Исследования проведены в следующей последовательности. Для проведения измерений на поверхность отсека фюзеляжа в зоне вершины трещины 2 наносилась контрастная спекл-структура. В этой зоне устанавливалась фотограмметрическая система, предназначенная для измерения полей перемещений на поверхности конструкции методом численной корреляции цифровых изображений. Система состояла из двух видеокамер 3 с разрешением 2448×2048 (5 Мп) и скоростью съемки 10 кадров в секунду. Регистрация цифровых изображений осуществлялась мобильным компьютером с пакетом специализированных программ для обработки изображений. Перед началом измерений проводили калибровку системы при помощи калибровочной решетки, которую устанавливали в то же положение и на том же расстоянии от камер, что и исследуемая область. Регистрировали спекл-структуру в зоне вершины трещины при ненагруженном состоянии конструкции. Нагружали отсек гермофюзеляжа избыточным давлением 0,063 МПа. Регистрировали спекл-структуру в зоне вершины трещины при нагруженном состоянии конструкции. Это позволило получить цифровое изображение зоны трещины как дискретную запись интенсивности света, присутствующего в различных зонах на контуре трещины. Картины интенсивности до и после наддува отсека гермофюзеляжа позволили определить поперечное смещение берегов трещины v, используя двумерную теорию корреляции. Выбирали группу точек измерений, лежащих на прямой, параллельной трещине 2, и их перемещения аппроксимировали функцией
где
ν - поперечная компонента перемещения вдоль оси у;
Е - модуль упругости материала;
μ - коэффициент Пуассона;
Am - коэффициенты, подлежащие определению;
r и θ - радиальное и угловое расстояния от вершины трещины.
Коэффициенты Am определяли методом наименьших квадратов, минимизируя функционал, который представлял собой сумму квадратов невязок между измеренными перемещениями 10 и вычисленными по приведенной функции 9. Для этого решали систему из п линейных уравнений с неизвестными Am
По значению первого коэффициента А1 определяли величину коэффициента интенсивности напряжений K1 для трещины нормального отрыва
Проведенные измерения позволили получить технический результат, который заключался в определении КИН для трещин больших размеров в натурной тонкостенной конструкции с достаточной точностью.
Claims (12)
1. Способ определения коэффициента интенсивности напряжений для трещин в конструкции, включающий регистрацию исходного и деформированного состояний спекл-структур поверхности видеокамерой и определение величины коэффициента интенсивности напряжений расчетным методом, отличающийся тем, что на поверхность конструкции в зоне трещины наносят краситель, образующий контрастную спекл-структуру, устанавливают стереосистему, состоящую из двух видеокамер, выполняют ее калибровку при помощи калибровочной решетки, которую устанавливают в то же положение и на том же расстоянии от камер, что и исследуемая область, регистрируют стереосистемой цифровое изображение исходного и деформированного состояний спекл-структуры поверхности, определяют перемещение точек на поверхности методом численной корреляции цифровых изображений, аппроксимируют перемещения функцией, по параметрам которой определяют величину коэффициента интенсивности напряжений.
2. Способ определения коэффициента интенсивности напряжений для трещин по п. 1, отличающийся тем, что перемещения аппроксимируют функцией:
где
ν - поперечная компонента перемещения вдоль оси у;
E - модуль упругости материала;
μ - коэффициент Пуассона;
Am - коэффициенты, подлежащие определению;
r и θ - радиальное и угловое расстояния от вершины трещины,
коэффициенты Am определяют методом наименьших квадратов, минимизируя функционал, который представляет собой сумму квадратов невязок между измеренными перемещениями и вычисленными по приведенному соотношению, по значению первого коэффициента А1 определяют величину коэффициента интенсивности напряжений
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2773260C1 true RU2773260C1 (ru) | 2022-06-01 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5508801A (en) * | 1993-01-19 | 1996-04-16 | Kabushikigaisya Hutech | Method and apparatus for nondestructive testing of the mechanical behavior of objects under loading utilizing wave theory of plastic deformation |
RU2447410C2 (ru) * | 2010-05-21 | 2012-04-10 | Ленинградская область, от имени которой выступает Государственное учреждение "Агентство экономического развития Ленинградской области" | Устройство для дистанционного измерения вибрационных параметров объекта |
RU2667316C1 (ru) * | 2017-10-25 | 2018-09-18 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ определения коэффициентов интенсивности напряжений для трещин |
WO2020169727A1 (en) * | 2019-02-20 | 2020-08-27 | Trinamix Gmbh | Detector with a projector for illuminating at least one object |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5508801A (en) * | 1993-01-19 | 1996-04-16 | Kabushikigaisya Hutech | Method and apparatus for nondestructive testing of the mechanical behavior of objects under loading utilizing wave theory of plastic deformation |
RU2447410C2 (ru) * | 2010-05-21 | 2012-04-10 | Ленинградская область, от имени которой выступает Государственное учреждение "Агентство экономического развития Ленинградской области" | Устройство для дистанционного измерения вибрационных параметров объекта |
RU2667316C1 (ru) * | 2017-10-25 | 2018-09-18 | Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ определения коэффициентов интенсивности напряжений для трещин |
WO2020169727A1 (en) * | 2019-02-20 | 2020-08-27 | Trinamix Gmbh | Detector with a projector for illuminating at least one object |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
"Определение коэффициентов интенсивности напряжений в вершине сквозной трещины по полям перемещений", Ученые записки ЦАГИ, том XIX, N6, 1988 г. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101163916B1 (ko) | 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법 및 그 장치 | |
JP4811567B2 (ja) | 撮影画像を用いた構造物における応力計測方法 | |
Lingga et al. | Assessment of digital image correlation method in determining large scale cemented rockfill strains | |
KR102218594B1 (ko) | 미소압흔 주변에 디지털 화상적합기술을 적용하여 재료물성치와 응력상태를 측정하는 장치 및 방법 | |
Badulescu et al. | A procedure for accurate one-dimensional strain measurement using the grid method | |
Bergonnier et al. | Digital image correlation used for mechanical tests on crimped glass wool samples | |
Nicoletto et al. | Mesoscopic strain fields in woven composites: experiments vs. finite element modeling | |
Liang et al. | Studies on deformation measurement with non-fixed camera using digital image correlation method | |
RU2773260C1 (ru) | Способ определения коэффициента интенсивности напряжений для трещины в конструкции | |
RU2667316C1 (ru) | Способ определения коэффициентов интенсивности напряжений для трещин | |
US6189386B1 (en) | Method of using a microscopic digital imaging strain gauge | |
Peters et al. | Whole-field experimental displacement analysis of composite cylinders | |
US5920383A (en) | Microscopic digital imaging strain gauge | |
Momcilovic et al. | Stress concentration on the contour of a plate opening: analytical, numerical and experimental approach | |
Theocaris | Moiré patterns of slope contours in flexed plates: Interference of the reflected image of a grating on a plate with a similar grating yields the partial-slope contours in flexed plates | |
Siebert et al. | Combine simulation and experiment in automotive testing with ESPI measurement | |
CN115046717A (zh) | 一种利用傅里叶变换轮廓术优化的结构振型可视化方法、装置及系统 | |
Mousa et al. | A simple two-dimensional digital image correlation model for out of plane displacement using smartphone camera | |
Martin et al. | A Complex Review of the Possibilities of Residual Stress Analysis Using Moving 2D and 3D Digital Image Correlation System | |
Siviour et al. | High resolution optical measurements of specimen deformation in the split Hopkinson pressure bar | |
Sriram et al. | Projection-speckle digital-correlation method for surface-displacement measurement | |
Helfrick | An investigation of 3D digital image correlation for structural health monitoring and vibration measurement | |
WO1987007365A1 (en) | Apparatus and method for determining stress and strain in pipes, pressure vessels, structural members and other deformable bodies | |
Albertazzi Jr et al. | Portable residual stresses measurement device using ESPI and a radial in-plane interferometer | |
Reis et al. | Noise reduction for DIC measurements |