[發(fā)明專利]一種基于結(jié)構(gòu)表面位移場(chǎng)的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111116027.3
• 申請(qǐng)日: 2021-09-23
• 公開（公告）號(hào): CN113865487B
• 公開（公告）日: 2022-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡殿印;趙炎;毛建興;王榮橋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02;G01N21/88;G01N21/95
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 張乾楨;鄧治平

本發(fā)明涉及一種基于結(jié)構(gòu)表面位移場(chǎng)的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，步驟為：(1)搭建疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)平臺(tái)，清晰顯示裂紋監(jiān)測(cè)區(qū)域；(2)采集疲勞裂紋擴(kuò)展圖像；(3)計(jì)算試件表面位移場(chǎng)；(4)實(shí)現(xiàn)不同循環(huán)下的疲勞裂紋尖端定位；(5)不同循環(huán)下的裂紋長(zhǎng)度測(cè)量；(6)實(shí)時(shí)顯示裂紋擴(kuò)展路徑。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，克服疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)需通過終止試驗(yàn)測(cè)量裂紋長(zhǎng)度的缺點(diǎn)，提高了疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)效率；消除了因裂紋閉合現(xiàn)象導(dǎo)致的裂紋長(zhǎng)度測(cè)量誤差，并將宏觀尺度的疲勞裂紋試驗(yàn)的測(cè)量精度提高到微米量級(jí)；該方法測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快、操作簡(jiǎn)單、適用范圍廣。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于結(jié)構(gòu)表面位移場(chǎng)的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及疲勞裂紋長(zhǎng)度實(shí)時(shí)測(cè)量方法，它是一種能夠提高材料力學(xué)性能檢測(cè)效率和改進(jìn)材料疲勞壽命評(píng)估精度的方法。

背景技術(shù)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件在其服役過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)不同類型的損傷(如裂紋、腐蝕、凹坑、磨損等)，其中疲勞裂紋是最常見的損傷形式之一。開展結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，探究材料疲勞斷裂規(guī)律，對(duì)提高結(jié)構(gòu)的可靠性和使用壽命有著十分重要的意義。其中，疲勞裂紋長(zhǎng)度是研究疲勞擴(kuò)展規(guī)律的重要力學(xué)指標(biāo)。因此，需要發(fā)展一種精確、高效的疲勞裂紋長(zhǎng)度測(cè)量方法。

通常情況下，疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)需要花費(fèi)大量的時(shí)間。常用的目視法由于需要中斷試驗(yàn)和人工測(cè)量，導(dǎo)致較低的測(cè)量效率和精度。現(xiàn)有的在線疲勞裂紋測(cè)量方法有柔度法、電位法以及聲發(fā)射法等，然而，這些方法因涉及較多計(jì)算變量、抗干擾能力差以及設(shè)備復(fù)雜等問題，導(dǎo)致較低的測(cè)量精度。

隨著計(jì)算視覺技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)字圖像處理的方法被用于疲勞裂紋檢測(cè)，具有良好的測(cè)量精度和效率，這種非接觸式的測(cè)量方法具有測(cè)試過程簡(jiǎn)單、測(cè)試環(huán)境要求較低、數(shù)據(jù)處理便捷等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)有文獻(xiàn)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.中提出了基于數(shù)字圖像相關(guān)法的結(jié)構(gòu)表面位移場(chǎng)計(jì)算，文中利用邊緣檢測(cè)算法對(duì)結(jié)構(gòu)表面位移場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行處理并測(cè)量裂紋長(zhǎng)度。但在疲勞循環(huán)加載過程中，裂紋尖端塑性區(qū)會(huì)導(dǎo)致小范圍屈服，從而導(dǎo)致裂紋閉合現(xiàn)象。在采集的裂紋圖像中，裂紋閉合區(qū)域灰度分布與背景相同，導(dǎo)致基于灰度邊緣檢測(cè)方法難以檢測(cè)真實(shí)裂紋尖端。

綜上，傳統(tǒng)的疲勞裂紋長(zhǎng)度測(cè)量方法測(cè)量過程復(fù)雜，測(cè)量精度難以保證；現(xiàn)有的基于數(shù)字圖像處理的方法難以測(cè)量真實(shí)疲勞裂紋。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明提出一種疲勞裂紋擴(kuò)展監(jiān)測(cè)方法，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高精度的真實(shí)疲勞裂紋尖端定位與裂紋長(zhǎng)度測(cè)量方法以及裂紋擴(kuò)展路徑顯示。首先，采集疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中的圖像，然后利用本發(fā)明提出的裂紋尖端定位與裂紋長(zhǎng)度測(cè)量算法實(shí)時(shí)測(cè)量疲勞裂紋長(zhǎng)度，最后實(shí)時(shí)顯示裂紋擴(kuò)展路徑。本發(fā)明的一種基于結(jié)構(gòu)表面位移場(chǎng)的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展過程中真實(shí)裂紋尖端定位、裂紋長(zhǎng)度測(cè)量以及裂紋擴(kuò)展路徑實(shí)時(shí)顯示。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種基于結(jié)構(gòu)表面位移場(chǎng)的疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，該方法具體步驟如下：

步驟一：按照疲勞試驗(yàn)的測(cè)量需求，搭建疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)平臺(tái)，將顯微鏡和高速相機(jī)置于待測(cè)試件正前方適當(dāng)位置，并調(diào)節(jié)顯微鏡焦距，直到與高速相機(jī)連接的計(jì)算機(jī)能夠清晰顯示裂紋監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)橹埂?/p>

步驟二：采用高速相機(jī)記錄疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)前和試驗(yàn)中的同一載荷下的試件表面圖像。

步驟三：采用數(shù)字圖像相關(guān)法計(jì)算試驗(yàn)過程中試件表面位移場(chǎng)。

步驟四：利用疲勞裂紋尖端定位算法，計(jì)算不同循環(huán)下的裂紋尖端坐標(biāo)。