[發(fā)明專利]多缺陷材料M積分的無損測量方法有效
| 申請?zhí)枺?/td> | 201110401438.7 | 申請日： | 2011-12-06 |
| 公開（公告）號： | CN102519783A | 公開（公告）日： | 2012-06-27 |
| 發(fā)明（設計）人： | 于寧宇;陳宜亨;李群 | 申請（專利權(quán)）人： | 西安交通大學 |
| 主分類號： | G01N3/00 | 分類號： | G01N3/00 |
| 代理公司： | 西安通大專利代理有限責任公司 61200 | 代理人： | 朱海臨 |
| 地址： | 710049 *** | 國省代碼： | 陜西;61 |
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| 摘要： | |||
| 搜索關(guān)鍵詞： | 缺陷 材料 積分 無損 測量方法 | ||
技術(shù)領域
本發(fā)明涉及一種力學參量——M積分的無損測量方法。?
技術(shù)背景
在多缺陷材料損傷力學研究中，圍繞缺陷的M積分，表征了該缺陷自相似擴展的能量釋放率。作為一種材料斷裂韌性參數(shù)，可廣泛應用于航空航天器及大量工程結(jié)構(gòu)設計中。其定義表達式如下：?
其中w＝σijεij/2，σkj，εij，uk和ni分別為材料應變能密度、應力、應變、位移和圍繞缺陷閉合積分路徑C的外法向矢量；其中uk，i為位移對相關(guān)坐標xi的偏微分。類似于J積分，M積分也是一種路徑無關(guān)積分，其值不依賴于路徑選取。經(jīng)過幾十年的研究，M積分作為一個可以表征材料中各種微觀缺陷及其演化的力學參量，在材料損傷及結(jié)構(gòu)完整性評估中發(fā)揮著重要作用。?
實驗測量M積分值，需要測量沿積分路徑的應力場、應變場及應變能分布等力學量。針對M積分參量的實驗測量方法研究，目前國內(nèi)外還幾乎是空白。King和Herrmann[King，R.B.and?Herrmann，G.(1981)Nondestructive?Evaluation?of?the?J?and?M-integrals，ASME?Journal?of?Applied?Mechanics，48，83-87]針對兩種簡單的單裂紋(單邊裂紋和中心裂紋)，提出了一種無損測量M積分的方法。該方法將處于均勻遠場載荷作用下裂紋場的解析解帶入M積分表達式，通過簡化，得到該裂紋形態(tài)下M積分的簡化表達式，進而通過應變片和位移傳感器等測量手段，得到M積分值。其方法具有明顯不足之處：(1)該方法只能針對特殊損傷形式，即存在解析解的單裂紋。而材料中的缺陷通常很復雜，既包括單裂紋，也包括不同形式分布的多裂紋或裂紋群，同時也可能涉及其他損傷形式如孔洞、夾雜等。對于這些通常難于找到解析解的缺陷形式，后續(xù)的簡化及推導過程將變得十分困難。(2)理論上的缺陷，該方法是建立在一系列的簡化的基礎之上的。因此，從理論上來說，它推導出的參量不是一個嚴格的精確解。(3)該方法利用傳統(tǒng)的應變片和位移傳感器測量試件的應變及位移，并且需要選取特殊的積分路徑計算M積分，其測量手段受制于試件及測量壞境限制，很難廣泛推廣應用。?
另外，隨著實驗力學以及相關(guān)的計算機圖形處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)被發(fā)展起來并逐漸運用于材料和結(jié)構(gòu)的變形測量中。應用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)對多缺陷材料的位移場進行測量，其方法最重要的特征就是采用數(shù)字化的記錄方式以充分利用計算機的處理能力，具有現(xiàn)場測量、實時的可視化顯示和高精度的特點，從而提高了變形測試的效率。它主要利用圖像相關(guān)方法來分析受載荷作用下的試樣表面數(shù)字圖像數(shù)據(jù)(物體表面的隨機分布的散斑點記錄在數(shù)字圖像中)，即利用數(shù)字圖像的灰度值模式來精確測定變形(位?移)。具有光路簡單、對測量環(huán)境要求低、對光源要求低(激光、普通自然白光或者普通照明均可)、對測量范圍可以任意制定等特點。?
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以往技術(shù)所存在的問題，通過數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)，提供了一種通過直接測量材料表面位移場，進而得到材料表面應變場和應力場，并通過M積分的定義表達式，選取任意閉合路徑進行數(shù)值積分，進而求得M積分值的方法，具有測量準確度高、適用缺陷對象寬泛、測量計算簡便、載荷可以任意加載等特點。?
為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：?
一種多缺陷材料M積分的無損測量方法，其特征在于，包括下述步驟：?
(1)針對二維構(gòu)件存在的復雜形勢微缺陷群損傷試件，為了增加數(shù)字散斑的灰度對比值，首先將試件表面噴涂成隨機分布的散斑狀態(tài)，設置ARAMIS兩鏡頭夾角為25°，用MTS設備對試件進行加載。?
(2)通過一組成角度的黑白鏡頭記錄加載過程的試件表面狀態(tài)，利用三維數(shù)字圖像相關(guān)軟件計算每一對照片所對應變形狀態(tài)下的位移場ux和uy。?
(3)使用均值濾波器手段處理含有噪聲的位移場，以得到平滑數(shù)據(jù)；將平滑處理后的位移場在兩坐標軸方向上用三次樣條曲線進行擬合，求其梯度，得到位移場沿兩個坐標方向的導數(shù)：?和?根據(jù)材料的幾何方程：?
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