CN105548199B - 一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法 - Google Patents
一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105548199B CN105548199B CN201510946117.3A CN201510946117A CN105548199B CN 105548199 B CN105548199 B CN 105548199B CN 201510946117 A CN201510946117 A CN 201510946117A CN 105548199 B CN105548199 B CN 105548199B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cylindrical shell
- mrow
- crack
- stress intensity
- intensity factor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000003518 caustics Substances 0.000 claims abstract description 39
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 37
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 24
- 208000037656 Respiratory Sounds Diseases 0.000 claims description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000009738 saturating Methods 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 239000011888 foil Substances 0.000 abstract description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 2
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
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
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/8806—Specially adapted optical and illumination features
-
- 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
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/8851—Scan or image signal processing specially adapted therefor, e.g. for scan signal adjustment, for detecting different kinds of defects, for compensating for structures, markings, edges
-
- 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
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
- G01N21/8851—Scan or image signal processing specially adapted therefor, e.g. for scan signal adjustment, for detecting different kinds of defects, for compensating for structures, markings, edges
- G01N2021/8854—Grading and classifying of flaws
- G01N2021/8874—Taking dimensions of defect into account
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法,属于断裂力学、光学测试技术领域。本发明采用焦散线光学测试技术,利用CCD相机拍摄含轴向裂纹圆柱壳承载后的焦散斑照片,测量焦散斑特征尺寸,通过应力强度因子与焦散斑特征尺寸的关系,获得在一定载荷作用下含轴向裂纹圆柱壳裂尖的应力强度因子。本发明采用非接触测量,与光弹法、数字散斑相关法等光学技术相比,数据处理简单,试验结果可靠;与传统电测方法相比,省去了每次都要贴应变片的繁琐工序,更为简单方便。对于含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的测量,本发明提出一种焦散线测量方法,将圆柱壳的曲率半径及厚度因素引入到应力强度因子与焦散斑特征尺寸的关系中,使实验结果更为精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种焦散线光学测试技术测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子方法,属于断裂力学、光学测试技术领域。
背景技术
焦散线光学测试技术是研究材料与结构断裂力学行为的重要手段,能够简单准确地测量裂尖应力强度因子。尽管对焦散线技术的应用方面进行了大量的研究,但多数局限于平面问题,缺乏对含裂纹圆柱壳等曲面薄壳裂尖应力强度因子问题的研究,很大程度上阻碍了该项技术在断裂力学方面的发展及其在工程应用的拓展。亟待针对含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子问题提出一种焦散线试验测量方法,能更为方便地测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法,通过焦散线光学测试方法,使其能对含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子进行精确测量。
本发明的技术方案如下:
一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法,该方法采用投射式焦散线光学测试***,该***包括激光光源、扩束镜、第一成像透镜、第二成像透镜、三点弯加载装置、CCD相机以及计算机;由激光光源发出的光由扩束镜作用后,经第一成像透镜折射变为平行光,穿过承受三点弯载荷作用的含轴向裂纹圆柱壳试件后再经过第二成像透镜汇聚,由CCD相机接收成像,最终将采集的图像传输至计算机;其特征在于该方法包括如下步骤:
1)在圆柱壳试件的下边界中间向内沿轴向开一条边裂纹;
2)将含轴向裂纹圆柱壳试件固定在三点弯加载装置上,使裂纹延长线穿过三点弯装置的加载头,裂纹距三点弯装置的两个支撑点的距离相同;
3)调节光路,使激光光源发出的光依次穿过扩束镜、第一成像透镜、含轴向裂纹圆柱壳试件以及第二成像透镜,最终由CCD相机接收光线成像;
4)在试件与第二成像透镜之间放置一分划板,调节CCD相机的位置和焦距,使分划板上标记图案在CCD相机视场中间最清晰,然后拍一幅图像,作为参考图像,此时标定每一毫米在图像中对应多少个像素点,再移除分划板;
5)对试件加载,利用CCD相机连续拍摄不同载荷下的焦散斑图像,同时记录不同焦散斑图像所对应的载荷值;
6)测量焦散斑特征尺寸所对应的像素,得出焦散斑特征尺寸,所述的特征尺寸是指焦散斑横向最大直径;
7)由焦散斑特征尺寸得出含轴向裂纹圆柱壳裂尖的应力强度因子:
假设D为焦散斑的特征尺寸,R为圆柱壳的曲率半径,t为圆柱壳的壁厚,则含轴向裂纹圆柱壳裂尖的应力强度因子KI可表示为:
其中z0为垂直于光线方向的圆柱壳试件切平面到分划板的距离,c为材料的应力光学常数,n为材料的折射率。
本发明与现有技术相比,具有以下优点及突出性效果:本发明采用的焦散线光学测试技术是非接触测量,与光弹法、数字散斑相关法等光学技术相比,数据处理简单,试验结果可靠;与传统电测方法相比,省去了每次都要贴应变片的繁琐工序。对于含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的测量,本发明提出一种焦散线测量方法,将圆柱壳的曲率半径及厚度因素引入到应力强度因子与焦散斑特征尺寸的关系中,使实验结果更为精确。
附图说明
图1是本发明提供的投射式焦散线光学测试***结构原理示意图。
图2是焦散斑示意图。
图3是平行光线偏移示意图。
图中:1-激光光源;2-扩束镜;3-第一成像透镜;4-第二成像透镜;5-三点弯加载装置;6-含轴向裂纹圆柱壳试件;7-CCD相机;8-计算机;9-轴向裂纹;D-焦散斑特征尺寸;N-焦散斑轮廓线。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作原理、工作过程,但不应以此限制本发明的保护范围。
图1是本发明提供的投射式焦散线光学测试***结构原理示意图,该***包括激光光源1、扩束镜2、第一成像透镜3、第二成像透镜4、三点弯加载装置5、CCD相机7以及计算机8;所述的激光光源1发出的激光由扩束镜2作用后,经第一成像透镜3折射变为平行光,穿过承受三点弯载荷作用的含轴向裂纹9的圆柱壳试件6后再经过第二成像透镜4汇聚,由所述的CCD相机7接收成像,CCD相机7通过控制线路与计算机8连接,最终将采集的图像传输至计算机8。
本发明提供的方法包括如下步骤:
1)在圆柱壳试件的下边界中间向内沿轴向开一条边裂纹;
2)将含轴向裂纹圆柱壳试件固定在三点弯加载装置上,使裂纹延长线穿过三点弯装置的加载头,裂纹距三点弯装置的两个支撑点的距离相同;
3)调节光路,使激光光源发出的光依次穿过扩束镜、第一成像透镜、含轴向裂纹圆柱壳试件以及第二成像透镜,最终由CCD相机接收光线成像;
4)在试件与第二成像透镜之间放置一分划板,调节CCD相机的位置和焦距,使分划板上标记图案在CCD相机视场中间最清晰,然后拍一幅图像,作为参考图像,此时标定每一毫米在图像中对应多少个像素点,再移除分划板;
5)对试件加载,利用CCD相机连续拍摄不同载荷下的焦散斑图像,同时记录不同焦散斑图像所对应的载荷值;
6)测量焦散斑特征尺寸所对应的像素,得出焦散斑特征尺寸,图2是加载后CCD相机拍摄的焦散斑图像的示意图,x'为像平面上圆柱壳轴向方向坐标,y'为像平面上圆柱壳环向方向坐标,9为轴向裂纹,N为焦散斑轮廓线,D为焦散斑特征尺寸;
7)由焦散斑特征尺寸得出含轴向裂纹圆柱壳裂尖的应力强度因子:
图3是平行光线穿过圆柱壳引起的光线偏移示意图,y为物平面上圆柱壳环向方向坐标,z为光线入射方向坐标,设Δy是光线的偏移量,由折射率定理和几何关系可得:
①
其中θ1、θ2、θ3分别为光线穿过试件前,穿过试件时以及穿过试件后与试件法向法向夹角,R为圆柱壳的曲率半径,t为圆柱壳的壁厚,n为材料的折射率。
根据含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力状态理论,当圆柱壳承受三点弯载荷时,裂纹尖端应力状态为:
②
其中σ11、σ22、σ12分别为沿圆柱壳轴向正应力,沿圆柱壳环向正应力以及剪应力,KI是含轴向裂纹圆柱壳裂尖的应力强度因子,r和θ是极坐标。
由Maxwell-Neumann定律以及广义Hooke(胡克)定律,由裂尖应力状态引起的光程差δS为:
δS=ct(σ11+σ22) ③
其中c为材料的应力光学常数。
根据公式①、②和③,焦散线映射方程为:
④
其中z0为垂直于光线方向的圆柱壳试件切平面到分划板的距离。
由于焦散线存在的充分必要条件是映射方程的Jacobian(雅可比)行列式值为零,即:
⑤
焦散斑轮廓曲线r(θ)可以表示为:
⑥
其中:
将公式⑥带入公式④中,y'可以表示为θ的函数y'(θ),利用y'(θ)对θ求导后可得y'最大值,焦散斑特征尺寸D为y'最大值的2倍,则:
⑦
Claims (1)
1.一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法,其特征在于:所述方法采用投射式焦散线光学测试***,该***包括激光光源(1)、扩束镜(2)、第一成像透镜(3)、第二成像透镜(4)、三点弯加载装置(5)、CCD相机(7)以及计算机(8);激光光源(1)发出的激光透过扩束镜(2)后,经第一成像透镜(3)折射变为平行光,穿过承受三点弯载荷作用的含轴向裂纹圆柱壳试件(6)后再经过第二成像透镜(4)汇聚,由CCD相机(7)接收成像,最终将采集的图像传输至计算机(8);其测量方法包括如下步骤:
1)在圆柱壳试件的下边界中间向内沿轴向开一条边裂纹;
2)将含轴向裂纹圆柱壳试件固定在三点弯加载装置上,使边裂纹延长线穿过三点弯装置的加载头,该边裂纹距三点弯装置的两个支撑点的距离相同;
3)调节光路,使激光光源(1)发出的光依次穿过扩束镜(2)、第一成像透镜(3)、含轴向裂纹圆柱壳试件(6)以及第二成像透镜(4),最终由CCD相机(7)接收光线成像;
4)在含轴向裂纹圆柱壳试件(6)与第二成像透镜(4)之间放置一分划板,调节CCD相机(7)的位置和焦距,使分划板上的标记图案在CCD相机视场中间最清晰,然后拍一幅图像,作为参考图像,此时标定每一毫米在图像中对应多少个像素点,再移除分划板;
5)对含轴向裂纹圆柱壳试件(6)加载,利用CCD相机(7)连续拍摄不同载荷下的焦散斑图像,同时记录不同焦散斑图像所对应的载荷值;
6)测量焦散斑特征尺寸所对应的像素,得出焦散斑特征尺寸,所述的特征尺寸是指焦散斑横向最大直径;
7)由焦散斑特征尺寸得出含轴向裂纹圆柱壳裂尖的应力强度因子:
假设D为焦散斑的特征尺寸,R为圆柱壳的曲率半径,t为圆柱壳的壁厚,则含轴向裂纹圆柱壳裂尖的应力强度因子KI表示为:
<mrow>
<msub>
<mi>K</mi>
<mi>I</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msup>
<mi>D</mi>
<mrow>
<mn>5</mn>
<mo>/</mo>
<mn>2</mn>
</mrow>
</msup>
<mrow>
<mn>2.177</mn>
<msup>
<mrow>
<mo>&lsqb;</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>t</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>n</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mrow>
<mi>R</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mrow>
<mn>3</mn>
<mo>/</mo>
<mn>4</mn>
</mrow>
</msup>
<mo>|</mo>
<msub>
<mi>z</mi>
<mn>0</mn>
</msub>
<mo>|</mo>
<mo>|</mo>
<mi>c</mi>
<mo>|</mo>
<mi>t</mi>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中z0为垂直于光线方向的圆柱壳试件切平面到分划板的距离,c为材料的应力光学常数,n为材料的折射率。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510946117.3A CN105548199B (zh) | 2015-12-16 | 2015-12-16 | 一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201510946117.3A CN105548199B (zh) | 2015-12-16 | 2015-12-16 | 一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN105548199A CN105548199A (zh) | 2016-05-04 |
CN105548199B true CN105548199B (zh) | 2018-04-10 |
Family
ID=55827536
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201510946117.3A Expired - Fee Related CN105548199B (zh) | 2015-12-16 | 2015-12-16 | 一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN105548199B (zh) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107576432B (zh) * | 2017-08-14 | 2019-11-01 | 中国矿业大学(北京) | 一种动态裂纹尖端应力场量测方法及装置 |
CN109932395A (zh) * | 2017-12-15 | 2019-06-25 | 中国矿业大学(北京) | 一种动态断裂力学实验的电测-焦散线实验***及方法 |
WO2020051779A1 (zh) * | 2018-09-11 | 2020-03-19 | 合刃科技(深圳)有限公司 | 曲面物体的缺陷检测方法及检测*** |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101710040A (zh) * | 2009-12-10 | 2010-05-19 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种用于无损检测灵敏度试验的表面裂纹试样制作方法 |
CN102023116A (zh) * | 2010-10-14 | 2011-04-20 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种耳片连接件疲劳裂纹扩展的试验分析方法 |
CN102564851A (zh) * | 2010-12-07 | 2012-07-11 | 北京有色金属研究总院 | 钛合金断裂过程焦散线测试装置和方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009294136A (ja) * | 2008-06-06 | 2009-12-17 | Ihi Corp | 管状試験体の引張曲げ試験方法及び装置 |
-
2015
- 2015-12-16 CN CN201510946117.3A patent/CN105548199B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101710040A (zh) * | 2009-12-10 | 2010-05-19 | 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院 | 一种用于无损检测灵敏度试验的表面裂纹试样制作方法 |
CN102023116A (zh) * | 2010-10-14 | 2011-04-20 | 中国人民解放军空军工程大学 | 一种耳片连接件疲劳裂纹扩展的试验分析方法 |
CN102564851A (zh) * | 2010-12-07 | 2012-07-11 | 北京有色金属研究总院 | 钛合金断裂过程焦散线测试装置和方法 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
Caustic analysis of stress singularities in orthotropic composite materials with mode-I crack;Xuefeng Yao et al.;《Composites Science and Technology》;20040630;第64卷;第917-924页 * |
Experimental study on interaction between matrix crack and fiber bundles using optical caustic method;Wenfeng Hao et al.;《Engineering Fracture Mechanics》;20150131;第134卷;第354-367页 * |
基体裂纹-异型夹杂相互作用焦散线实验研究;岳中文 等;《工程力学》;20151031;第32卷(第10期);第198-202页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN105548199A (zh) | 2016-05-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shan et al. | A stereovision-based crack width detection approach for concrete surface assessment | |
CN204730814U (zh) | 一种基于线激光三维测量的零部件质量检验装置 | |
CN105548199B (zh) | 一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法 | |
CN106767524A (zh) | 一种水力机械叶片曲面检测方法和装置 | |
CN106780623A (zh) | 一种机器人视觉***快速标定方法 | |
CN103591894A (zh) | 通过摄像头测量物体长度的方法与装置 | |
JP2008232998A (ja) | 構造物の応力変動分布の測定方法およびその測定装置、ならびに構造物の欠陥検出方法および構造物の危険性把握方法 | |
CN103697823A (zh) | 用于断裂韧度的施力点位移和缺口张开位移的测量方法 | |
CN106996748A (zh) | 一种基于双目视觉的轮径测量方法 | |
CN106168461A (zh) | 一种新型远距离测量定标仪 | |
CN110533649B (zh) | 一种无人机通用结构裂缝识别检测装置及方法 | |
CN103954212A (zh) | 基于图像检测的棉签检测装置及检测方法 | |
CN107218891A (zh) | 一种尺寸测量方法、装置及*** | |
CN104266900A (zh) | 一种基于高温图像处理的裂纹尖端张开位移测量方法 | |
CN107869957B (zh) | 一种基于成像***的圆柱截面尺寸测量装置和方法 | |
CN204202569U (zh) | 引伸计 | |
CN103424087A (zh) | 一种大尺度钢板三维测量拼接***及方法 | |
CN104048601B (zh) | 基于坐标变换的完整成像映射方法 | |
CN103940379A (zh) | 一种哈哈镜原理测量玻璃平面度的方法 | |
CN107367245A (zh) | 光学三维轮廓测量中的无效点探测与剔除方法 | |
JP5775646B1 (ja) | 指示針式メータ用画像解析装置、指示針式メータ用画像解析方法及びプログラム | |
CN102901465A (zh) | 一种测量光学镜片斜率误差的设备和方法 | |
CN212645639U (zh) | 一种基于视觉检测的高热钢管长度测量设备 | |
KR20200029860A (ko) | 열화상 영상을 이용한 구조물의 균열 깊이 측정 방법 및 장치 | |
CN105783735A (zh) | 一种基于二维数字图像相关补偿算法的实时引伸计测量方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180410 Termination date: 20191216 |