一種測量含軸向裂紋圓柱殼裂尖應力強度因子的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種焦散線光學測試技術測量含軸向裂紋圓柱殼裂尖應力強度因子 方法，屬于斷裂力學、光學測試技術領域。
【背景技術】
[0002] 焦散線光學測試技術是研究材料與結構斷裂力學行為的重要手段，能夠簡單準確 地測量裂尖應力強度因子。盡管對焦散線技術的應用方面進行了大量的研究，但多數局限 于平面問題，缺乏對含裂紋圓柱殼等曲面薄殼裂尖應力強度因子問題的研究，很大程度上 阻礙了該項技術在斷裂力學方面的發展及其在工程應用的拓展。亟待針對含軸向裂紋圓柱 殼裂尖應力強度因子問題提出一種焦散線試驗測量方法，能更為方便地測量含軸向裂紋圓 柱殼裂尖應力強度因子。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種測量含軸向裂紋圓柱殼裂尖應力強度因子的方法，通過 焦散線光學測試方法，使其能對含軸向裂紋圓柱殼裂尖應力強度因子進行精確測量。
[0004] 本發明的技術方案如下：
[0005] -種測量含軸向裂紋圓柱殼裂尖應力強度因子的方法，該方法采用投射式焦散線 光學測試系統，該系統包括激光光源、擴束鏡、第一成像透鏡、第二成像透鏡、三點彎加載裝 置、CCD相機以及計算機；由激光光源發出的光由擴束鏡作用后，經第一成像透鏡折射變為 平行光，穿過承受三點彎載荷作用的含軸向裂紋圓柱殼試件后再經過第二成像透鏡匯聚， 由CCD相機接收成像，最終將采集的圖像傳輸至計算機;其特征在于該方法包括如下步驟：
[0006] 1)在圓柱殼試件的下邊界中間向內沿軸向開一條邊裂紋；
[0007] 2)將含軸向裂紋圓柱殼試件固定在三點彎加載裝置上，使裂紋延長線穿過三點彎 裝置的加載頭，裂紋距三點彎裝置的兩個支撐點的距離相同；
[0008] 3)調節光路，使激光光源發出的光依次穿過擴束鏡、第一成像透鏡、含軸向裂紋圓 柱殼試件以及第二成像透鏡，最終由CCD相機接收光線成像；
[0009] 4)在試件與第二成像透鏡之間放置一分劃板，調節CCD相機的位置和焦距，使分劃 板上標記圖案在CCD相機視場中間最清晰，然后拍一幅圖像，作為參考圖像，此時標定每一 毫米在圖像中對應多少個像素點，再移除分劃板；
[0010] 5)對試件加載，利用CCD相機連續拍攝不同載荷下的焦散斑圖像，同時記錄不同焦 散斑圖像所對應的載荷值；
[0011] 6)測量焦散斑特征尺寸所對應的像素，得出焦散斑特征尺寸，所述的特征尺寸是 指焦散斑橫向最大直徑；
[0012] 7)由焦散斑特征尺寸得出含軸向裂紋圓柱殼裂尖的應力強度因子：
[0013] 假設D為焦散斑的特征尺寸，R為圓柱殼的曲率半徑，t為圓柱殼的壁厚，則含軸向 裂紋圓柱殼裂尖的應力強度因子心可表示為： ]3m
[0014] A- 「，("-1)下?4丨 N 丨 2.177 1十~^~ ΚΙΙ.Φ
[0015] 其中zo為垂直于光線方向的圓柱殼試件切平面到分劃板的距離，c為材料的應力 光學常數，η為材料的折射率。
[0016] 本發明與現有技術相比，具有以下優點及突出性效果:本發明采用的焦散線光學 測試技術是非接觸測量，與光彈法、數字散斑相關法等光學技術相比，數據處理簡單，試驗 結果可靠;與傳統電測方法相比，省去了每次都要貼應變片的繁瑣工序。對于含軸向裂紋圓 柱殼裂尖應力強度因子的測量，本發明提出一種焦散線測量方法，將圓柱殼的曲率半徑及 厚度因素引入到應力強度因子與焦散斑特征尺寸的關系中，使實驗結果更為精確。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明提供的投射式焦散線光學測試系統結構原理示意圖。
[0018] 圖2是焦散斑示意圖。
[0019]圖3是平行光線偏移示意圖。
[0020]圖中：1-激光光源;2-擴束鏡;3-第一成像透鏡;4-第二成像透鏡;5-三點彎加載裝 置;6-含軸向裂紋圓柱殼試件;7-CCD相機;8-計算機;9-軸向裂紋;D-焦散斑特征尺寸;Ν-焦 散斑輪廓線。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖進一步說明本發明的具體結構、工作原理、工作過程，但不應以此限 制本發明的保護范圍。
[0022] 圖1是本發明提供的投射式焦散線光學測試系統結構原理示意圖，該系統包括激 光光源1、擴束鏡2、第一成像透鏡3、第二成像透鏡4、三點彎加載裝置5、CCD相機7以及計算 機8;所述的激光光源1發出的激光由擴束鏡2作用后，經第一成像透鏡3折射變為平行光，穿 過承受三點彎載荷作用的含軸向裂紋9的圓柱殼試件6后再經過第二成像透鏡4匯聚，由所 述的CCD相機7接收成像，CCD相機7通過控制線路與計算機8連接，最終將采集的圖像傳輸至 計算機8。
[0023] 本發明提供的方法包括如下步驟：
[0024] 1)在圓柱殼試件的下邊界中間向內沿軸向開一條邊裂紋；
[0025] 2)將含軸向裂紋圓柱殼試件固定在三點彎加載裝置上，使裂紋延長線穿過三點彎 裝置的加載頭，裂紋距三點彎裝置的兩個支撐點的距離相同；
[0026] 3)調節光路，使激光光源發出的光依次穿過擴束鏡、第一成像透鏡、含軸向裂紋圓 柱殼試件以及第二成像透鏡，最終由CCD相機接收光線成像；
[0027] 4)在試件與第二成像透鏡之間放置一分劃板，調節CCD相機的位置和焦距，使分劃 板上標記圖案在CCD相機視場中間最清晰，然后拍一幅圖像，作為參考圖像，此時標定每一 毫米在圖像中對應多少個像素點，再移除分劃板；
[0028] 5)對試件加載，利用CCD相機連續拍攝不同載荷下的焦散斑圖像，同時記錄不同焦 散斑圖像所對應的載荷值；
[0029] 6)測量焦散斑特征尺寸所對應的像素，得出焦散斑特征尺寸，圖2是加載后CCD相 機拍攝的焦散斑圖像的示意圖，X'為像平面上圓柱殼軸向方向坐標，y'為像平面上圓柱殼 環向方向坐標，9為軸向裂紋，N為焦散斑輪廓線，D為焦散斑特征尺寸；
[0030] 7)由焦散斑特征尺寸得出含軸向裂紋圓柱殼裂尖的應力強度因子：
[0031] 圖3是平行光線穿過圓柱殼引起的光線偏移示意圖，y為物平面上圓柱殼環向方向 坐標，z為光線入射方向坐標，設A y是光線的偏移量，由折射率定理和幾何關系可得：
[0032] Δ =/(A-漢）=與(1-丄）① -R η
[0033] 其中分別為光線穿過試件前，穿過試件時以及穿過試件后與試件法向法 向夾角，R為圓柱殼的曲率半徑，t為圓柱殼的壁厚，η為材料的折射率。
[0034] 根據含軸向裂紋圓柱殼裂尖應力狀態理論，當圓柱殼承受三點彎載荷時，裂紋尖 端應力狀態為： _3 1 _ 二 cos(沒/2) + - cos( 5 沒/2}
[0035] ^ σ22 ~cos(^/2)-^-cos(5i?/2) ② ^J2 | 1 --sin(^/2) +-sin(i?/2) 4 ' 4
[0036] 其中〇n、〇22、〇i2分別為沿圓柱殼軸向正應力，沿圓柱殼環向正應力以及剪應力，Κι 是含軸向裂紋圓柱殼裂尖的應力強度因子，r和Θ是極坐標。
[0037] 由Maxwell-Neumann定律以及廣義Hooke(胡克)定律，由裂尖應力狀態引起的光程 差3S為：
[0038] 5S = ct(〇n+〇22)③
[0039]其中c為材料的應力光學常數。
[0040]根據公式①、②和③，焦散線映射方程為： = rcosO -v^Lz^ctr 1: cos-^ V2 2 ^
[0041 ] 1 「 ? ^ ④ L R :n.」 λ/2. 2
[0042]其中zo為垂直于光線方向的圓柱殼試件切平面到分劃板的距離。
[0043]由于焦散線存在的充分必要條件是映射方程的Jacobian(雅可比）行列式值為零， 即： Γ ? cix'iy' d.x'Cy' "
[0044] --:-----:- - 0 (5) Cr αθ ?θ Cr
[0045] 焦散斑輪廓曲線r( Θ)可以表示為：
[0046] Γ(^)-|~^|ζ0||ψΘ(^)| ⑥
[0047] 其中： I /《 \ 《 Jr (1 -1 / /? V cosJ \ --Θ + 4/? [/? + 1 ~ 1 / r/)] - ^( 1 -1 / n) cos Θ _ θ(半^-^--
[0049] 將公式⑥帶入公式④中，y'可以表示為Θ的函數y'（0)，利用y'（0)對Θ求導后可得 y '最大值，焦散斑特征尺寸D為y '最大值的2倍，則： . 〇y2 ^ ----
[0050] …丄，(《-1)]3'丨丨丨⑦ 2,177 1 + -~- zjci Rn 1 ?" 1
【主權項】
1. 一種測量含軸向裂紋圓柱殼裂尖應力強度因子的方法，其特征在于:所述方法采用 投射式焦散線光學測試系統，該系統包括激光光源（1 )、擴束鏡(2)、第一成像透鏡(3)、第二 成像透鏡(4)、Ξ點彎加載裝置(5)、CCD相機(7)W及計算機(8);激光光源（1)發出的激光透 過擴束鏡(2)后，經第一成像透鏡(3)折射變為平行光，穿過承受Ξ點彎載荷作用的含軸向 裂紋圓柱殼試件(6)后再經過第二成像透鏡(4)匯聚，由CCD相機(7)接收成像，最終將采集 的圖像傳輸至計算機(8);其測量方法包括如下步驟： 1) 在圓柱殼試件的下邊界中間向內沿軸向開一條邊裂紋； 2) 將含軸向裂紋圓柱殼試件固定在Ξ點彎加載裝置上，使裂紋延長線穿過Ξ點彎裝置 的加載頭，裂紋距Ξ點彎裝置的兩個支撐點的距離相同； 3) 調節光路，使激光光源發出的光依次穿過擴束鏡、第一成像透鏡、含軸向裂紋圓柱殼 試件W及第二成像透鏡，最終由CCD相機接收光線成像； 4) 在試件與第二成像透鏡之間放置一分劃板，調節CCD相機的位置和焦距，使分劃板上 的標記圖案在CCD相機視場中間最清晰，然后拍一幅圖像，作為參考圖像，此時標定每一毫 米在圖像中對應多少個像素點，再移除分劃板； 5) 對試件加載，利用CCD相機連續拍攝不同載荷下的焦散斑圖像，同時記錄不同焦散斑 圖像所對應的載荷值； 6) 測量焦散斑特征尺寸所對應的像素，得出焦散斑特征尺寸，所述的特征尺寸是指焦 散斑橫向最大直徑； 7) 由焦散斑特征尺寸得出含軸向裂紋圓柱殼裂尖的應力強度因子： 假設D為焦散斑的特征尺寸，R為圓柱殼的曲率半徑，t為圓柱殼的壁厚，則含軸向裂紋 圓柱殼裂尖的應力強度因子Κι表示為：其中Ζ0為垂直于光線方向的圓柱殼試件切平面到分劃板的距離，C為材料的應力光學常 數，η為材料的折射率。
【專利摘要】一種測量含軸向裂紋圓柱殼裂尖應力強度因子的方法，屬于斷裂力學、光學測試技術領域。本發明采用焦散線光學測試技術，利用CCD相機拍攝含軸向裂紋圓柱殼承載后的焦散斑照片，測量焦散斑特征尺寸，通過應力強度因子與焦散斑特征尺寸的關系，獲得在一定載荷作用下含軸向裂紋圓柱殼裂尖的應力強度因子。本發明采用非接觸測量，與光彈法、數字散斑相關法等光學技術相比，數據處理簡單，試驗結果可靠；與傳統電測方法相比，省去了每次都要貼應變片的繁瑣工序，更為簡單方便。對于含軸向裂紋圓柱殼裂尖應力強度因子的測量，本發明提出一種焦散線測量方法，將圓柱殼的曲率半徑及厚度因素引入到應力強度因子與焦散斑特征尺寸的關系中，使實驗結果更為精確。
【IPC分類】G01N21/88
【公開號】CN105548199
【申請號】CN201510946117
【發明人】姚學鋒, 劉偉, 馬寅佶, 原亞南
【申請人】清華大學
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2015年12月16日