一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋j積分測量方法
【專利摘要】本發(fā)明一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測量方法屬于斷裂力學(xué)及其工程應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測量方法。測量方法是通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對含裂紋缺陷的表面在不同載荷下位移場和應(yīng)變場進(jìn)行測算，獲取位移場和應(yīng)變場信息，并存入Excel中；編寫MATLAB程序，并調(diào)取Excel中的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)值積分計算，進(jìn)而獲得裂紋J積分值。本發(fā)明將數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)、MATLAB技術(shù)與J積分計算相結(jié)合，通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)獲取裂紋試件的應(yīng)變，再通過MATLAB提取數(shù)字圖像相關(guān)的計算結(jié)果，計算數(shù)值積分，具有效率高、實用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明適用于計算各類含有微小變形裂紋的彈性和小范圍屈服試件，通用性強(qiáng)。
【專利說明】-種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于斷裂力學(xué)及其工程應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)及一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積 分測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] J積分是一個可W定量描述裂紋尖端區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變場強(qiáng)度的重要斷裂參量，在預(yù) 測裂紋的穩(wěn)定性與擴(kuò)展方面有著廣泛的應(yīng)用。目前，獲得J積分的方法主要有理論分析、模 型簡化計算、數(shù)值模擬和實驗測定等。模型簡化和數(shù)值模擬均是對實際問題的簡化計算，與 實際情況存在一定偏差。理論分析雖然具有很強(qiáng)的嚴(yán)謹(jǐn)性，但是推導(dǎo)過程繁瑣，不便于工程 實際應(yīng)用。實驗測定方法主要有柔度法、光彈法、貼片法等，然而，柔度法無法用于動態(tài)測 量；光彈法實驗設(shè)備復(fù)雜，而且無法用于非透明材料的測量；貼片法繁瑣且測點(diǎn)有限。數(shù)字 圖像相關(guān)法通過跟蹤匹配試樣變形前后所采集圖像的灰度信息來測量物體在各種載荷作 用下表面的瞬時位移場和應(yīng)變場。該方法具有非接觸、精度高、光路簡單、受環(huán)境影響小等 優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為實驗力學(xué)領(lǐng)域變形測量的一種非常重要的光測手段，如胡浩等人的"數(shù) 字圖像相關(guān)法測量金屬薄板焊接的全場變形"[J].光學(xué)精密工程.2012, 20 (7)，1636-1643。 然而，目前尚缺乏利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測量J積分方法的研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)對J積分測量存在的問題，發(fā)明了一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的 裂紋J積分測量方法，即通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對含裂紋缺陷表面在不同載荷下的位移 場和應(yīng)變場進(jìn)行測算，獲取位移場和應(yīng)變場信息并存入Excel中，編寫MTLAB程序并調(diào)取 Excel中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)值積分計算，進(jìn)而獲得J積分值，具有非接觸、精度高、高效率、 實用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測量方法，其特 征在于，測量方法是通過數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對含裂紋缺陷表面在不同載荷下的位移場和 應(yīng)變場進(jìn)行測算，獲取位移場和應(yīng)變場信息，并存入Excel中；編寫MTLAB程序，并調(diào)取 Excel中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)值積分計算，進(jìn)而獲得裂紋J積分值，該方法的具體步驟如下：
[0005] 一、制備拉伸實驗標(biāo)準(zhǔn)試件，對標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行單向拉伸，得到試件材料的應(yīng) 力-應(yīng)變曲線W及彈性模量E，泊松比y，屈服應(yīng)力0。，屈服應(yīng)變e。等材料常數(shù)；
[0006] 二、制備緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件，在拉伸實驗前需要用黑白啞光漆在試件表面制備黑 白相間的散斑，先在試件表面噴涂一層白色啞光漆作為底色鋪墊，待白漆干后再噴灑黑漆， 使其在白色襯底上形成均勻分布的黑色斑點(diǎn)，要求斑點(diǎn)大小適中；在緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表 面制斑后，采集信息之前需要對試件進(jìn)行標(biāo)定；采用CCD相機(jī)同步采樣記錄加載過程中，緊 湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面的位移場U、V信息；
[0007] S、利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對CCD相機(jī)采集所得的圖片信息進(jìn)行計算處理，將圖 片信息通過算法轉(zhuǎn)化為緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面應(yīng)變場￡.、￡,、丫 U信息；結(jié)合步驟一獲得 的材料常數(shù)，利用胡克定律得到彈性區(qū)域應(yīng)力場〇i、Oy、T。信息。
[000引四、利用MTLAB編寫程序命令，調(diào)用步驟S，經(jīng)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)計算所得的數(shù) 值表信息，W及步驟一的材料參數(shù)，運(yùn)行程序，完成裂紋J積分的計算；
[0009] 利用MTLAB編寫相應(yīng)的程序命令，需要根據(jù)J積分的定義，即，
[0010]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于數(shù)字圖像相關(guān)的裂紋J積分測量方法，其特征在于，測量方法是通過數(shù)字 圖像相關(guān)技術(shù)，對含裂紋缺陷的表面在不同載荷下位移場和應(yīng)變場進(jìn)行測算，獲取位移場 和應(yīng)變場信息，并存入Excel中；編寫MATLAB程序，并調(diào)取Excel中的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行數(shù)值 積分計算，進(jìn)而獲得裂紋J積分值，該方法的具體步驟如下： 一、 制備拉伸實驗標(biāo)準(zhǔn)試件，對標(biāo)準(zhǔn)拉伸試件進(jìn)行單向拉伸，得到試件材料的應(yīng)力-應(yīng) 變曲線以及彈性模量E，泊松比y，屈服應(yīng)力〇(|，屈服應(yīng)變e^等材料常數(shù)； 二、制備緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件，在拉伸實驗前需要用黑白啞光漆在試件表面制備黑白相 間的散斑，先在試件表面噴涂一層白色啞光漆作為底色鋪墊，待白漆干后再噴灑黑漆，使其 在白色襯底上形成均勻分布的黑色斑點(diǎn)，要求斑點(diǎn)大小適中；在緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面制 斑后，采集信息之前需要對試件進(jìn)行標(biāo)定；采用CCD相機(jī)同步采樣記錄加載過程中，緊湊拉 伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面的位移場u、V信息； 三、 利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對CCD相機(jī)采集所得的圖片信息進(jìn)行計算處理，將圖片信 息通過算法轉(zhuǎn)化為緊湊拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件表面應(yīng)變場ex、ey、Yxy信息；結(jié)合步驟（1)獲得的 材料常數(shù)，利用胡克定律得到彈性區(qū)域應(yīng)力場〇x、〇y、Txy信息； 四、 利用MATLAB編寫程序命令，調(diào)用步驟三經(jīng)數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)計算所得的數(shù)值表信 息以及步驟一的材料參數(shù)，運(yùn)行程序，完成裂紋J積分的計算； 利用MATLAB編寫相應(yīng)的程序命令，需要根據(jù)J積分的定義，即，
式中，r為始于裂紋下表面任一點(diǎn)，止于裂紋上表面的圍繞裂紋尖端的閉合路徑；W為 應(yīng)變能密度， W = /〇ijd e ij (2) 其中〇i」、eu為r路徑上任一點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值；T是積分路徑r邊界上的應(yīng)力矢量， 其分量為Ti,U是路徑r上的位移矢量，其分量可表示為Ui，在x，y方向的分量可具體為u， v，dy為y方向的增量，ds為對應(yīng)于r的積分曲線增量；根據(jù)J積分的路徑無關(guān)性，取r 為一矩形路徑，該路徑一共由5條直線組成，分別是：AB直線①，BC直線②，⑶直線③，DE 直線④和EF直線⑤，其中，A、F為矩形路徑的起止點(diǎn)，B、C、D、E為矩形路徑上的拐點(diǎn)；此時 有：

這樣，利用路徑r上一系列離散點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力、位移梯度及應(yīng)變能密度，對公式 (3)?（9)進(jìn)行數(shù)值積分，即可求出裂紋J積分值。
【文檔編號】G01N3/08GK104502198SQ201510003450
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月5日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月5日
【發(fā)明者】蔣瑋, 黃裕龍, 周璇, 蔣險峰 申請人:大連理工大學(xué)