CN107741368B - 一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试*** - Google Patents
一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试***，包括疲劳试验机(3)、夹具(2)、第一DIC设备(4)、第二DIC设备(5)，其特征在于：疲劳试验机(3)用于疲劳加载；双悬臂梁试样(1)作为检测裂纹的试件；夹具(2)用于连接和固定双悬臂梁试样(1)和疲劳试验机(3)；第一DIC设备(4)的第一镜头(401)、第一DIC设备(4)第二镜头(402)，第二DIC设备(5)的第一镜头(501)、第二DIC设备(5)的第二镜头(502)分别对准双悬臂梁试样(1)的上下表面，用于观测双悬臂梁试样(1)上下表面各个点的坐标变化。本发明能够使试验过程更接近实际加载过程，因此所测得的裂纹扩展行为更接近于实际情况，更具指导意义。
Description
技术领域
本发明属于材料性能检测方法领域，具体是指一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试***。
背景技术
近些年来，机器零件疲劳破坏的频繁发生。据相关统计，在航空工程相关的工程中，有60％-80％的损坏是由于材料的疲劳破坏所引起的，在汽车零部件相关的工程中，有大约85％的零件损坏是由于疲劳破坏引起的。这就迫使人们加强对疲劳损坏的进一步研究，而疲劳裂纹的检测尤为重要。
检测疲劳裂纹的方法有很多，起初受到设备和技术的限制，人们不得不用目测的方式观察工件表面是否产生裂纹，疲劳试验与表面观测是分开进行的，每加载一定次数后，将试样从疲劳试验机上卸下，再放在各种显微镜下直接观察。这种检测方式使得工件所受加载过程和真实情况下所受的加载过程相差很大，很可能会忽略了疲劳裂纹扩展的某些信息，因此，这种离位方式不能实时连续的跟踪、记录裂纹扩展的全过程。后来人们又探索出在位检测疲劳裂纹的方法，以求能够记录疲劳裂纹扩展的连续信息。普遍采用的有表面复型技术(Replica法)、超声法、射线法、磁粉法、声发射法等。不过它们多数适用于检测表面的裂纹扩展行为，对于内部裂纹扩展行为很难做到较为精确的检测，并且这些方法都存在着一定的弊端，比如操作繁琐，对人体健康产生影响，对环境条件要求高等
发明内容
针对各工程领域中机械设备零部件常常产生内部裂纹的问题，本发明设计了一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试***，实时监测内部裂纹扩展行为，计算裂纹扩展速率，并且能够得到裂纹尖端的轮廓线。
本发明的技术方案提供了一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试***，包括疲劳试验机、夹具、第一DIC设备、第二DIC设备，其特征在于：
疲劳试验机用于疲劳加载；
双悬臂梁试作为检测裂纹的试件；
夹用于连接和固定双悬臂梁试样疲劳试验机；
第一DIC设的第一镜头第一DIC设备的第二镜、第二DIC设备的第一镜头、第二DIC设备的第二镜头用于检测双悬臂梁试样上的裂纹尖端和裂纹轮廓；
第一DIC设备的第一镜头、第一DIC设备第二镜头，第二DIC设备的第一镜头、第二DIC设备的第二镜头分别对准双悬臂梁试样的上下表面，用于观测双悬臂梁试样上下表面各个点的坐标变化。
本发明还提供了一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试方法，具体包括：
步骤1、制备用于内部裂纹扩展行为检测的双悬臂梁试；
步骤2、将夹具上夹头和下夹头分别通过上夹头螺纹和下夹头螺纹安装连接在疲劳试验机的上下两端，将双悬臂梁试样的一端通过下销孔、下夹头销孔、第一定位销连接在下夹头上，通过升降疲劳试验的横梁调整相对位置，将双悬臂梁试样一端通过上销孔、上夹头销孔和第二定位安装连接在上夹头；
步骤3、分别对第一DIC设备，第二DIC设备单独标定：
步骤4、再通过对第一DIC设备、第二DIC设备整体标定，将第一DIC设备和第二DIC设备的局部坐标系经过旋转变换、位移变换以及坐标系尺度变化转换到一个整体坐标系中；
步骤5、将第一DIC设备的第一镜头和第一DIC设备第二镜对准试样的上表面，第二DIC设备的第一镜头和第二DIC设备的第二镜头对准试样的下表面，用于测量试样上下表面上各个点坐标及变化；
步骤6、确定试验疲劳测试参数，参数包括载荷、频率、循环次数、试件工作部分的截面积；
步骤7、开始试验，在疲劳试验机的计算机软件界面中设置步骤6中确定的疲劳测试参数；疲劳试验机施加给双悬臂梁试样的载荷为正玄波恒幅加载，进行拉-拉疲劳试验；同时运行第一DIC设备和第二DIC设备的计算机和疲劳试验机的计算机的相应软件，直至试样断裂；
步骤8、根据疲劳试验机得到的循环次数N，再由第一DIC设备和第二DIC设备通过坐标变化检测到的裂纹尖端及其坐标计算得到裂纹长度a，得出裂纹长度a和循环次数N的众多数据点，利用MATLAB软件进行散点图绘制，用指数曲线拟合出曲线，进而得到裂纹扩展速率da/dN的变化情况，同样在MATLAB软件中输入试验得到的数据点获得裂纹尖端的轮廓图。
与现有技术相比本发明的优点在于：
1、本发明能够在不中断试验加载过程的情况下检测试样内部裂纹的扩展行为，使试验过程更接近实际加载过程，因此所测得的裂纹扩展行为更接近于实际情况，更具指导意义。
2、本发明能够通过对试样内部各个方向裂纹的检测得到裂纹尖端扩展的轮廓图，可以为研究内部裂纹扩展行为提供更多有效的依据。
3、本发明能够通过非接触测量方法检测试样内部裂纹扩展行为，使测试结果可靠性更高。
4、本发明通过使用DIC技术(Digital Image Correlation的缩写，意为数字图像相关技术)可以检测试样全场范围内的裂纹变化，为裂纹扩展的理论分析提供依据。
5、本发明操作比较简单，环境适应性较好，检测结果较传统的检测方法更为准确，具有较高的实用价值和较强的工程意义。
附图说明
图1本发明用于三维结构内部裂纹扩展测试方法整体结构示意图；
图2本发明测试方法流程示意图；
图3本发明可测得的裂纹尖端轮廓示意图；
图4本发明用于三维结构内部裂纹扩展测试方法的双悬臂梁试样结构示意图；
图5本发明用于三维结构内部裂纹扩展测试的夹具组成部分结构示意图；
图6本发明用于三维结构内部裂纹扩展测试的夹具安装试样结构示意图；
图7本发明用于三维结构内部裂纹扩展测试的疲劳试验机装夹结构示意图；
图中：1-双悬臂梁试样，2-双悬臂梁试样的夹具，3-疲劳试验机，4-第一DIC设备，5-第二DIC设备，101-双悬臂梁试样上夹持块，102-双悬臂梁试样下夹持块，103-双悬臂梁试样上孔销，104-双悬臂梁试样下孔销，105-预制裂纹，210双悬臂梁试样夹具的上夹头，211-上夹头销孔，212-上夹头螺纹，220-双悬臂梁试样夹具的下夹头，221-下夹头销孔，222下夹头螺纹，230-第一定位销，240-第二定位销，401-第一DIC设备的第一镜头、402-第一DIC设备的第二镜头，501-第二DIC设备的第一镜头、502-第二DIC设备的第二镜头。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，该实施例提供了一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试***，一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试***，包括疲劳试验机3、夹具2、第一DIC设备4、第二DIC设备5，其特征在于：
疲劳试验机3用于疲劳加载；
双悬臂梁试样1作为检测裂纹的试件；
夹具2用于连接和固定双悬臂梁试样1和疲劳试验机3；
第一DIC设备4的第一镜头401、第一DIC设备的第二镜头402、第二DIC设备5的第一镜头501、第二DIC设备5的第二镜头502用于检测双悬臂梁试样1上的裂纹尖端和裂纹轮廓；
本发明是通过将第一DIC设备4、第二DIC设备5、疲劳试验机3、夹具2以及双悬臂梁试样1合理布局来测量其内部疲劳裂纹扩展行为的方法。
它们的相对位置关系如下：双悬臂梁试样1安装在夹具2上，夹具2和疲劳试验机3直接相连。第一DIC设备4的第一镜头401、第一DIC设备4第二镜头402，第二DIC设备5的第一镜头501、第二DIC设备5的第二镜头502分别对准双悬臂梁试样1的上下表面，用于观测双悬臂梁试样1上下表面各个点的坐标变化。
如图2所示，该实施例提供了一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试方法，具体包括：
步骤1、制备用于内部裂纹扩展行为检测的双悬臂梁试样1。
如图4所示，该双悬臂梁试样1包含起到夹持固定作用的夹持块101和102，夹持块上有上销孔103和下销孔104，夹持块是通过胶固定在试样上下表面，双悬臂梁试样1中还包含一个预制裂纹105。
步骤2、如图5-6所示，将夹具上夹头210和下夹头220分别通过上夹头螺纹212和下夹头螺纹222安装连接在疲劳试验机3的上下两端，将双悬臂梁试样1的一端通过下销孔104、下夹头销孔221、第一定位销230连接在下夹头220上，通过升降疲劳试验机3的横梁调整相对位置，将双悬臂梁试样1另一端通过上销孔103、上夹头销孔211和第二定位销240安装连接在上夹头210上，安装完毕。
步骤3、分别对第一DIC设备4，第二DIC设备5单独标定：
步骤3.1、通电开机，启动软件。首先进行硬件标定，启动相机开始标定，确定测量距离，确定左右两相机的相对位置，调整光圈，根据试验要求选择合适的光圈值；
步骤3.2、然后再进行软件标定，在软件中点击标定按钮(Calibration)，根据软件提示，合理摆放标定板位置，按顺序采集13张不同位置照片，软件自动计算完成最终标定。
当计算结果显示Calibration deviation小于0.3pixels，Scale deviation小于0.03mm时，认为标定结果合理，即可进行试验采集实验。
步骤4、再通过对第一DIC设备4、第二DIC设备5整体标定，将第一DIC设备4和第二DIC设备5的局部坐标系经过旋转变换、位移变换以及坐标系尺度变化转换到一个整体坐标系中。
在第一DIC设备4和第二DIC设备5上测得的初始局部坐标(x″i,y″i,z″i)，(x″j,y″j,z″j)转换为整体坐标(xi,yi,zi)，(xj,yj,zj)通过式(1)，式(2)完成；
第一DIC设备4和第二DIC设备5上测得的试验过程中的局部坐标(x′″i,y′″i,z′″i)，(x′″j,y′″j,z′″j)转换为整体坐标(x′i,y′i,z′i)，(x′j,y′j,z′j)通过式(3)，(4)完成：
其中mi，mj，m′i，m′j为尺度变化参数，ε为三维空间直角坐标变换的旋转角，也称欧勒角，Δxi，Δxj，Δyi，Δyj，Δzi，Δzj，Δx′i，Δx′j，Δy′i，Δy′jΔz′i，Δz′j为平移变化参数。
步骤5、将第一DIC设备4的第一镜头401和第二镜头402对准试样的上表面，第二DIC设备5的第一镜头501和第二镜头502对准试样的下表面，用于测量试样上下表面上各个点坐标及变化。
首先测出试样在初始状态上下表面各点在第一DIC设备4和第二DIC设备5局部坐标系下的局部坐标(x″i,y″i,z″i)，(x″j,y″j,z″j)(i，j＝1，2，3...)，以及试验过程中各点在局部坐标系下的局部坐标(x′″i,y′″i,z′″i)，(x′″j,y′″j,z′″j)(i，j＝1，2，3...)；
然后经过步骤(4)中的坐标转换得到整体坐标系下对应的初始状态的坐标(xi,yi,zi)，(xj,yj,zj)和试验过程中的坐标(x′i,y′i,z′i)，(x′j,y′j,z′j)(i，j＝1，2，3...)，然后把上下表面相对应的两点Ai和Aj(i，j＝1，2，3...)，在整体坐标系下初始状态下的Z坐标做差得到h，以及随着试验进行检测到的对应点Ai和Aj在整体坐标系下Z坐标之差h′，令Δh＝h′-h，当Δh大于某一特定值δ时认为裂纹出现(δ值根据材料而定)，基于此可计算出裂纹扩展长度a及裂纹扩展速率da/dN。
步骤6、确定试验疲劳测试参数，参数包括载荷、频率、循环次数、试件工作部分的截面积。
步骤7、开始试验，在疲劳试验机3的计算机软件界面中设置步骤6中确定的疲劳测试参数。疲劳试验机施加给试样的载荷为正玄波恒幅加载，进行拉-拉疲劳试验。同时运行第一DIC设备4和第二DIC设备5的计算机和疲劳试验机3的计算机的相应软件，直至试样断裂。
步骤8、根据疲劳试验机3得到的循环次数N，再由第一DIC设备4和第二DIC设备5通过坐标变化检测到的裂纹尖端及其坐标计算得到裂纹长度a，得出裂纹长度a和循环次数N的众多数据点，利用MATLAB软件进行散点图绘制，可以用指数曲线拟合出曲线，进而得到裂纹扩展速率da/dN的变化情况，同样可以在MATLAB软件中输入试验得到的数据点获得裂纹尖端的轮廓图，如图3所示。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
Claims (3)
1.一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试方法，其中：用于三维结构内部裂纹扩展试验测试***，包括疲劳试验机(3)、夹具(2)、第一DIC设备(4)、第二DIC设备(5)，疲劳试验机(3)用于疲劳加载；双悬臂梁试样(1)作为检测裂纹的试件；夹具(2)用于连接和固定双悬臂梁试样(1)和疲劳试验机(3)；第一DIC设备(4)的第一镜头(401)、第一DIC设备的第二镜头(402)、第二DIC设备(5)的第一镜头(501)、第二DIC设备(5)的第二镜头(502)用于检测双悬臂梁试样(1)上的裂纹尖端和裂纹轮廓；第一DIC设备(4)的第一镜头(401)、第一DIC设备(4)第二镜头(402)，第二DIC设备(5)的第一镜头(501)、第二DIC设备(5)的第二镜头(502)分别对准双悬臂梁试样(1)的上下表面，用于观测双悬臂梁试样(1)上下表面各个点的坐标变化；
用于三维结构内部裂纹扩展试验测试方法具体包括：
步骤1、制备用于内部裂纹扩展行为检测的双悬臂梁试样(1)；
步骤2、将夹具上夹头(210)和下夹头(220)分别通过上夹头螺纹(212)和下夹头螺纹(222)安装连接在疲劳试验机(3)的上下两端，将双悬臂梁试样(1)的一端通过下销孔(104)、下夹头销孔(221)、第一定位销(230)连接在下夹头(220)上，通过升降疲劳试验机(3)的横梁调整相对位置，将双悬臂梁试样(1)另一端通过上销孔(103)、上夹头销孔(211)和第二定位销(240)安装连接在上夹头(210)上；
步骤3、分别对第一DIC设备(4)，第二DIC设备(5)单独标定：
步骤4、再通过对第一DIC设备(4)、第二DIC设备(5)整体标定，将第一DIC设备(4)和第二DIC设备(5)的局部坐标系经过旋转变换、位移变换以及坐标系尺度变化转换到一个整体坐标系中；
在第一DIC设备(4)和第二DIC设备(5)上测得的初始局部坐标(x″i,y″i,z″i)，(x″j,y″j,z″j)转换为整体坐标(xi,yi,zi)，(xj,yj,zj)通过式(1)，式(2)完成；
第一DIC设备(4)和第二DIC设备(5)上测得的试验过程中的局部坐标(x″′i,y″′i,z″′i)，(x″′j,y″′j,z″′j)转换为整体坐标(x′i,y′i,z′i)，(x′j,y′j,z′j)通过式(3)，(4)完成：
其中mi，mj，m′i，m′j为尺度变化参数，ε为三维空间直角坐标变换的旋转角，也称欧勒角，Δxi，Δxj，Δyi，Δyj，Δzi，Δzj，Δx′i，Δx′j，Δy′i，Δy′jΔz′i，Δz′j为平移变化参数；
步骤5、将第一DIC设备(4)的第一镜头(401)和第一DIC设备(4)第二镜头(402)对准试样的上表面，第二DIC设备(5)的第一镜头(501)和第二DIC设备(5)第二镜头(502)对准试样的下表面，用于测量试样上下表面上各个点坐标及变化；
首先测出试样在初始状态上下表面各点在第一DIC设备4和第二DIC设备5局部坐标系下的局部坐标(x″i,y″i,z″i)，(x″j,y″j,z″j)(i，j＝1，2，3...)，以及试验过程中各点在局部坐标系下的局部坐标(x″′i，y″′i，z″′i)，(x″′j，y″′j，z″′j)(i，j＝1，2，3...)；
然后经过步骤4中的坐标转换得到整体坐标系下对应的初始状态的坐标(xi,yi,zi)，(xj,yj,zj)和试验过程中的坐标(x′i,y′i,z′i)，(x′j,y′j,z′j)(i，j＝1，2，3...)，然后把上下表面相对应的两点Ai和Aj(i，j＝1，2，3...)，在整体坐标系下初始状态下的Z坐标做差得到h，以及随着试验进行检测到的对应点Ai和Aj在整体坐标系下Z坐标之差h′，令Δh＝h′-h，当Δh大于某一特定值δ时认为裂纹出现，δ值根据材料而定，基于此可计算出裂纹扩展长度a及裂纹扩展速率da/dN；
步骤6、确定试验疲劳测试参数，参数包括载荷、频率、循环次数、试件工作部分的截面积；
步骤7、开始试验，在疲劳试验机(3)的计算机软件界面中设置步骤6中确定的疲劳测试参数；疲劳试验机施加给双悬臂梁试样(1)的载荷为正玄波恒幅加载，进行拉-拉疲劳试验；同时运行第一DIC设备(4)和第二DIC设备(5)的计算机和疲劳试验机(3)的计算机的相应软件，直至试样断裂；
步骤8、根据疲劳试验机(3)得到的循环次数N，再由第一DIC设备(4)和第二DIC设备(5)通过坐标变化检测到的裂纹尖端及其坐标计算得到裂纹长度a，得出裂纹长度a和循环次数N的众多数据点，利用MATLAB软件进行散点图绘制，用指数曲线拟合出曲线，进而得到裂纹扩展速率da/dN的变化情况，同样在MATLAB软件中输入试验得到的数据点获得裂纹尖端的轮廓图。
2.根据权利要求1所述的一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试方法,其特征在于：双悬臂梁试样(1)包含起到夹持固定作用的第一夹持块(101)和第二夹持块(102)，夹持块上有上销孔(103)和下销孔(104)，夹持块是通过胶固定在双悬臂梁试样(1)上下表面，双悬臂梁试样(1)中还包含一个预制裂纹(105)。
3.根据权利要求1所述的一种用于三维结构内部裂纹扩展试验测试方法,其特征在于：步骤3具体包括一下步骤：
步骤3.1、通电开机，启动软件；首先进行硬件标定，启动相机开始标定，确定测量距离，确定左右两相机的相对位置，调整光圈，根据试验要求选择合适的光圈值；
步骤3.2、然后再进行软件标定，在软件中点击标定按钮，根据软件提示，合理摆放标定板位置，按顺序采集13张不同位置照片，软件自动计算完成最终标定。
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