一種在線測量有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的方法技術(shù)

一種在線測量有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，屬于疲勞斷裂力學(xué)測試技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)采用透射式焦散線光學(xué)技術(shù)，利用CCD相機(jī)在線并連續(xù)地采集不同疲勞循環(huán)周次下含裂紋有機(jī)玻璃試件裂紋尖端附近焦散斑圖像及裂紋擴(kuò)展過程，通過對計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中的焦散斑圖像實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像處理和條件選擇，計(jì)算裂紋長度及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子；本發(fā)明專利技術(shù)采用的焦散線光學(xué)測試技術(shù)是非接觸實(shí)時(shí)測量，直觀性強(qiáng)，幾何光學(xué)模式簡單，應(yīng)力強(qiáng)度因子容易計(jì)算，數(shù)據(jù)處理方便，試驗(yàn)結(jié)果精確可靠；本發(fā)明專利技術(shù)與傳統(tǒng)疲勞裂紋擴(kuò)展測量方法相比，省去了每次人工測量裂紋長度及求解應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的繁瑣工序，避免了裂紋長度停機(jī)測量對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
201610052986

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種在線測量有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，所述方法采用透射式焦散線光學(xué)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光光源(1)、擴(kuò)束鏡(2)、第一成像透鏡(3)、分劃板(4)、第二成像透鏡(5)、CCD相機(jī)(6)以及計(jì)算機(jī)(7)；激光光源(1)發(fā)出的激光透過擴(kuò)束鏡(2)后，經(jīng)第一成像透鏡(3)折射變?yōu)槠叫泄猓┻^承受疲勞載荷(P)作用的含裂紋有機(jī)玻璃試件(8)后再經(jīng)過第二成像透鏡(5)匯聚，由CCD相機(jī)(6)接收成像，最終將采集的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)(7)；其特征在于所述方法包括如下步驟：1)使激光光源發(fā)出的光依次穿過擴(kuò)束鏡、第一成像透鏡、承受疲勞載荷作用的含裂紋的有機(jī)玻璃試件以及第二成像透鏡，最終由CCD相機(jī)接收光線成像，使CCD相機(jī)所采集的有機(jī)玻璃試件裂紋尖端附近焦散斑圖像的像素豎直方向與裂紋方向一致；2)調(diào)節(jié)透射式焦散線測試系統(tǒng)，標(biāo)定圖像空間分辨率：在含裂紋有機(jī)玻璃試件與第二成像透鏡之間放置一分劃板，分劃板與試件表面的距離為z0，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的位置和焦距，使分劃板上的標(biāo)記圖案在CCD相機(jī)視場中間最清晰，然后移除分劃板，對含裂紋有機(jī)玻璃試件拍一幅圖像，作為參考圖像，根據(jù)有機(jī)玻璃試件邊界等標(biāo)識信息與像素的對應(yīng)關(guān)系確定圖像空間分辨率L，同時(shí)確定疲勞裂紋擴(kuò)展過程中裂紋長度及裂尖附近焦散斑所在像素區(qū)域的范圍，將此區(qū)域定義為圖像處理區(qū)域；3)設(shè)置CCD相機(jī)的采集頻率與疲勞載荷的頻率相同，疲勞試驗(yàn)開始后，疲勞載荷第一次達(dá)到最大值時(shí)，疲勞循環(huán)周次N等于0，此時(shí)利用CCD相機(jī)開始在線并連續(xù)地采集不同疲勞循環(huán)周次下含裂紋有機(jī)玻璃試件的裂紋尖端附近焦散斑圖像及裂紋擴(kuò)展過程，并存儲至計(jì)算機(jī)緩沖區(qū)；4)在線計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK及裂紋長度a：對計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中的每幅圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像處理，在步驟2)所確定的圖像處理區(qū)域中，首先對圖像沿像素水平方向從左至右掃描各像素點(diǎn)灰度值，利用灰度插值的方法得到水平方向的灰度值分布，獲得灰度值最高的兩點(diǎn)的像素差值di，i表示掃描過程中第i行，確定所有行中像素差值的最大值dmax，即為焦散斑橫向最大直徑所對應(yīng)的像素，利用圖像空間分辨率L得出橫向最大直徑D，則應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK表示為：ΔK=22π3(3.17)5/2z0ctD5/2(1-R),R>022π3(3.17)5/2z0ctD5/2,R≤0]]>其中c為材料的應(yīng)力光學(xué)常數(shù)，n為材料的折射率，t為有機(jī)玻璃試件厚度，R為應(yīng)力比；然后對圖像處理區(qū)域沿像素豎直方向從上至下掃描各像素點(diǎn)灰度值，利用灰度插值的方法得到豎直方向的灰度值分布，獲得灰度值第一次達(dá)到極大值的像素與圖像處理區(qū)域下邊界像素的差值sj，j表示掃描過程中第j列，確定所有列中像素差值sj的最大值smax，則裂紋的長度為a表示為：a＝smax/L?0.527D5)利用差分方法對步驟4)中在線得到的隨疲勞循環(huán)周次N變化的裂紋長度a進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得裂紋擴(kuò)展速度da/dN，在雙對數(shù)坐標(biāo)系下利用差分方法獲得疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN對應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK的二階導(dǎo)數(shù)X；6)利用在線得到隨疲勞循環(huán)周次N變化的裂紋擴(kuò)展速度da/dN、應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK和二階導(dǎo)數(shù)X的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中的焦散斑圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)地條件選擇：在疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)開始階段，選擇條件為裂紋擴(kuò)展速度增量，當(dāng)裂紋擴(kuò)展速度增量達(dá)到10?8m/周到10?7m/周時(shí)，存儲此時(shí)的焦散斑圖像及對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)X的絕對值X＝0時(shí)，疲勞裂紋進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段，選擇條件發(fā)生改變，此時(shí)當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK增量達(dá)到0.01MPa·m1/2到0.1MPa·m1/2時(shí)，存儲一幅焦散斑圖像及所對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；當(dāng)二階導(dǎo)數(shù)X>0時(shí)，疲勞裂紋進(jìn)入快速趨于斷裂韌度階段，選擇條件再次發(fā)生改變，此時(shí)當(dāng)裂紋擴(kuò)展速度增量達(dá)到10?6m/周到10?5m/周時(shí)，存儲一幅焦散斑圖像及對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；對其它不滿足選擇條件的圖像及試驗(yàn)數(shù)據(jù)在緩存區(qū)中進(jìn)行清除；選擇條件裂紋擴(kuò)展速度增量和應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍增量根據(jù)疲勞試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展速度及應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍的理論值確定；7)對步驟6)中所存儲的焦散斑圖像及對應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種在線測量有機(jī)玻璃疲勞裂紋擴(kuò)展的方法，所述方法采用透射式焦散線光學(xué)
測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括激光光源(1)、擴(kuò)束鏡(2)、第一成像透鏡(3)、分劃板(4)、
第二成像透鏡(5)、CCD相機(jī)(6)以及計(jì)算機(jī)(7)；激光光源(1)發(fā)出的激光透過
擴(kuò)束鏡(2)后，經(jīng)第一成像透鏡(3)折射變?yōu)槠叫泄猓┻^承受疲勞載荷(P)作用
的含裂紋有機(jī)玻璃試件(8)后再經(jīng)過第二成像透鏡(5)匯聚，由CCD相機(jī)(6)接收
成像，最終將采集的圖像傳輸至計(jì)算機(jī)(7)；
其特征在于所述方法包括如下步驟：
1)使激光光源發(fā)出的光依次穿過擴(kuò)束鏡、第一成像透鏡、承受疲勞載荷作用的含
裂紋的有機(jī)玻璃試件以及第二成像透鏡，最終由CCD相機(jī)接收光線成像，使CCD相機(jī)
所采集的有機(jī)玻璃試件裂紋尖端附近焦散斑圖像的像素豎直方向與裂紋方向一致；
2)調(diào)節(jié)透射式焦散線測試系統(tǒng)，標(biāo)定圖像空間分辨率：在含裂紋有機(jī)玻璃試件與
第二成像透鏡之間放置一分劃板，分劃板與試件表面的距離為z0，調(diào)節(jié)CCD相機(jī)的位
置和焦距，使分劃板上的標(biāo)記圖案在CCD相機(jī)視場中間最清晰，然后移除分劃板，對
含裂紋有機(jī)玻璃試件拍一幅圖像，作為參考圖像，根據(jù)有機(jī)玻璃試件邊界等標(biāo)識信息與
像素的對應(yīng)關(guān)系確定圖像空間分辨率L，同時(shí)確定疲勞裂紋擴(kuò)展過程中裂紋長度及裂尖
附近焦散斑所在像素區(qū)域的范圍，將此區(qū)域定義為圖像處理區(qū)域；
3)設(shè)置CCD相機(jī)的采集頻率與疲勞載荷的頻率相同，疲勞試驗(yàn)開始后，疲勞載荷
第一次達(dá)到最大值時(shí)，疲勞循環(huán)周次N等于0，此時(shí)利用CCD相機(jī)開始在線并連續(xù)地
采集不同疲勞循環(huán)周次下含裂紋有機(jī)玻璃試件的裂紋尖端附近焦散斑圖像及裂紋擴(kuò)展
過程，并存儲至計(jì)算機(jī)緩沖區(qū)；
4)在線計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK及裂紋長度a：對計(jì)算機(jī)緩存區(qū)中的每幅圖像進(jìn)
行實(shí)時(shí)圖像處理，在步驟2)所確定的圖像處理區(qū)域中，首先對圖像沿像素水平方向從
左至右掃描各像素點(diǎn)灰度值，利用灰度插值的方法得到水平方向的灰度值分布，獲得灰
度值最高的兩點(diǎn)的像素差值di，i表示掃描過程中第i行，確定所有行中像素差值的最大
值dmax，即為焦散斑橫向最大直徑所對應(yīng)的像素，利用圖像空間分辨率L得出橫向最大
直徑D，則應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK表示為：
Δ K = 2 2 π 3 ( 3.17 ) 5 / 2 z 0 c t D 5 / 2 ( 1 - R ...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：姚學(xué)鋒，劉偉，王申，馬寅佶，郝文峰，原亞南，
申請(專利權(quán))人：清華大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11