[发明专利]一种测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子的方法

摘要

本发明涉及一种数字梯度敏感方法和高速摄影相结合测量有机玻璃疲劳裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子的装置和方法，属于光测实验力学、疲劳/断裂力学技术领域，尤其涉及一种测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子的方法。本发明采用数字梯度敏感和高速摄影相结合的方法，用CCD相机拍摄疲劳载荷作用前后的照片，用数字梯度敏感技术测出疲劳载荷作用前后疲劳裂纹尖端应力场，从而得出疲劳裂纹长度及裂纹尖端应力强度因子。本发明采用的数字梯度敏感技术是非接触测量，和传统电测方法相比，省去了每次都要贴应变片的繁琐工序，更为方便简单；对于非接触测量，本发明增加了数字梯度敏感算法，使求得的裂纹尖端位置及裂纹尖端应力强度因子更加精确。

主权项

一种测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子的方法，其特征在于：利用包括计算机(1)、CCD相机(2)、疲劳试验机(3)、冷光源(5)以及散斑标志物(6)的试验装置，测量有机玻璃疲劳裂纹尖端应力强度因子，其方法包括如下步骤，首先将所述的计算机(1)、CCD相机(2)设置在疲劳试验机(3)左侧；将有机玻璃试验件(4)置于疲劳试验机(3)上，所述的冷光源(5)以及散斑标志物(6)设置在疲劳试验机(3)右侧；CCD相机(2)和冷光源(5)通过控制线路与计算机(1)连接；2)在散斑标志物表面(6)喷上黑白相间的漆斑，作为散斑点；3)在计算机(1)中安装数字图像相关方法软件和MATLAB软件；4)利用疲劳试验机(3)将有机玻璃试验件(4)固定，使有机玻璃试件(4)的平面朝向CCD相机(2)；5)打开冷光源(5)，使光均匀照射在散斑标志物(6)表面；6)将CCD相机(2)通过有机玻璃试件(4)对准有机玻璃试验件(4)后面的散斑标志物(6)，调节CCD相机(2)的位置和焦距，使散斑标志物(6)上的散斑点在CCD相机(2)视场中成清晰的图像，并用计算机标定在图像中每一毫米对应多少个像素点，拍一幅照片；7)按试验要求，用疲劳试验机(3)对有机玻璃试验件(4)进行加载，在疲劳载荷作用达到试验要求周次后，利用CCD相机(2)再拍一幅照片；8)用计算机(1)中的数字图像相关方法软件计算出放置有机玻璃试件(4)前后疲劳载荷作用前后的X方向和Y方向的散斑场变化，再通过MATLAB软件得出疲劳载荷作用前后的X方向和Y方向的光线偏转角，得出有机玻璃试件裂纹位置及裂纹尖端应力场分布；9)由光线偏转角利用下列公式反推裂纹尖端应力强度因子：假设φ_x和φ_y分别为X方向和Y方向的光线偏转角，利用有机玻璃试件(4)中距裂纹尖端的距离为r的光线偏转角，通过下式反推裂纹尖端应力强度因子${\mathrm{\φ}}_x=C_{\mathrm{\σ}}B\frac{\∂({\mathrm{\σ}}_{xx}+{\mathrm{\σ}}_{yy})}{\∂x}=C_{\mathrm{\σ}}B\[(-K_I\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\π}}})r^{-\frac{3}{2}}cos(-\frac{3}{2}\mathrm{\θ})\]$${\mathrm{\φ}}_y=C_{\mathrm{\σ}}B\frac{\∂({\mathrm{\σ}}_{xx}+{\mathrm{\σ}}_{yy})}{\∂y}=C_{\mathrm{\σ}}B\[(-K_I\sqrt{\frac{1}{2\mathrm{\π}}})r^{-\frac{3}{2}}sin(-\frac{3}{2}\mathrm{\θ})\]$其中C_σ＝‑0.9×10^‑10m²/N为有机玻璃的光力学常数，B为试验件厚度，(r,θ)为裂纹尖端极坐标，K_I为I型裂纹尖端应力强度因子。