[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

摘要

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。

主权项

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系统，该系统包括激光光源(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表示为：$K_I=\frac{D^{5/2}}{2.177{\[1+\frac{t(n-1)}{Rn}\]}^{3/4}\left|z_0\right|\left|c\right|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。