[发明专利]一种测量含轴向裂纹圆柱壳裂尖应力强度因子的方法

说明书

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 试系统，该系统包括激光光源、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K_I可表示为：

KI=D5/22.177[1+t(n-1)Rn]3/4|z0||c|t]]>

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。