[发明专利]多缺陷材料M积分的无损测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种力学参量——M积分的无损测量方法。 

技术背景

在多缺陷材料损伤力学研究中，围绕缺陷的M积分，表征了该缺陷自相似扩展的能量释放率。作为一种材料断裂韧性参数，可广泛应用于航空航天器及大量工程结构设计中。其定义表达式如下： 

其中w＝σ_ijε_ij/2，σ_kj，ε_ij，u_k和n_i分别为材料应变能密度、应力、应变、位移和围绕缺陷闭合积分路径C的外法向矢量；其中u_k，i为位移对相关坐标x_i的偏微分。类似于J积分，M积分也是一种路径无关积分，其值不依赖于路径选取。经过几十年的研究，M积分作为一个可以表征材料中各种微观缺陷及其演化的力学参量，在材料损伤及结构完整性评估中发挥着重要作用。 

实验测量M积分值，需要测量沿积分路径的应力场、应变场及应变能分布等力学量。针对M积分参量的实验测量方法研究，目前国内外还几乎是空白。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]针对两种简单的单裂纹(单边裂纹和中心裂纹)，提出了一种无损测量M积分的方法。该方法将处于均匀远场载荷作用下裂纹场的解析解带入M积分表达式，通过简化，得到该裂纹形态下M积分的简化表达式，进而通过应变片和位移传感器等测量手段，得到M积分值。其方法具有明显不足之处：(1)该方法只能针对特殊损伤形式，即存在解析解的单裂纹。而材料中的缺陷通常很复杂，既包括单裂纹，也包括不同形式分布的多裂纹或裂纹群，同时也可能涉及其他损伤形式如孔洞、夹杂等。对于这些通常难于找到解析解的缺陷形式，后续的简化及推导过程将变得十分困难。(2)理论上的缺陷，该方法是建立在一系列的简化的基础之上的。因此，从理论上来说，它推导出的参量不是一个严格的精确解。(3)该方法利用传统的应变片和位移传感器测量试件的应变及位移，并且需要选取特殊的积分路径计算M积分，其测量手段受制于试件及测量坏境限制，很难广泛推广应用。 

另外，随着实验力学以及相关的计算机图形处理技术的发展，数字散斑相关技术被发展起来并逐渐运用于材料和结构的变形测量中。应用数字散斑相关技术对多缺陷材料的位移场进行测量，其方法最重要的特征就是采用数字化的记录方式以充分利用计算机的处理能力，具有现场测量、实时的可视化显示和高精度的特点，从而提高了变形测试的效率。它主要利用图像相关方法来分析受载荷作用下的试样表面数字图像数据(物体表面的随机分布的散斑点记录在数字图像中)，即利用数字图像的灰度值模式来精确测定变形(位 移)。具有光路简单、对测量环境要求低、对光源要求低(激光、普通自然白光或者普通照明均可)、对测量范围可以任意制定等特点。 

发明内容

本发明针对以往技术所存在的问题，通过数字散斑相关技术，提供了一种通过直接测量材料表面位移场，进而得到材料表面应变场和应力场，并通过M积分的定义表达式，选取任意闭合路径进行数值积分，进而求得M积分值的方法，具有测量准确度高、适用缺陷对象宽泛、测量计算简便、载荷可以任意加载等特点。 

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的： 

一种多缺陷材料M积分的无损测量方法，其特征在于，包括下述步骤： 

(1)针对二维构件存在的复杂形势微缺陷群损伤试件，为了增加数字散斑的灰度对比值，首先将试件表面喷涂成随机分布的散斑状态，设置ARAMIS两镜头夹角为25°，用MTS设备对试件进行加载。 

(2)通过一组成角度的黑白镜头记录加载过程的试件表面状态，利用三维数字图像相关软件计算每一对照片所对应变形状态下的位移场u_x和u_y。 

(3)使用均值滤波器手段处理含有噪声的位移场，以得到平滑数据；将平滑处理后的位移场在两坐标轴方向上用三次样条曲线进行拟合，求其梯度，得到位移场沿两个坐标方向的导数： 和 根据材料的几何方程：