機(jī)械零部件失效的最常見形式是疲勞破壞,研究疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂特性對機(jī)械產(chǎn)品的安全、可靠性具有重大意義。材料的斷裂特性主要是由裂紋尖端的變形場(裂紋擴(kuò)展路徑、方向、位移場、應(yīng)變場和裂紋尖端塑性區(qū)等)決定的。電磁諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)系統(tǒng)由于其工作頻率高、能量消耗低、試驗(yàn)時間短、試驗(yàn)波形好等優(yōu)點(diǎn)被各種力學(xué)實(shí)驗(yàn)室廣泛用來進(jìn)行材料疲勞試驗(yàn),研究材料的斷裂特性。但由于試件高速振動所產(chǎn)生的慣性效應(yīng)和應(yīng)力波傳播效應(yīng),使得裂紋尖端位移、應(yīng)變場的理論計算變得非常復(fù)雜,目前尚沒有發(fā)現(xiàn)有效的方法。據(jù)此,本文將基于數(shù)字圖像處理(DIP)的宏觀疲勞裂紋檢測方法和全場、非干涉的數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)相結(jié)合來解決這種高頻諧振載荷作用下疲勞裂紋擴(kuò)展路徑、尺寸、疲勞裂紋尖端位移、應(yīng)變場的測量問題,并在此基礎(chǔ)上對裂紋尖端塑性區(qū)的形狀和尺寸進(jìn)行了估算,對疲勞裂紋尖端變形場進(jìn)行了深入的分析。本文的主要工作如下:1.搭建了諧振載荷作用下疲勞裂紋尖端變形場測量系統(tǒng),包括電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)、試件疲勞裂紋在線檢測系統(tǒng)和試件散斑圖像在線采集系統(tǒng),并提出了特征加載位置試件散斑圖像的匹配方法。2.提出了一種基于DIP的試件疲勞裂紋檢測算法。該方法通過模板匹配和角點(diǎn)檢測方法確定裂紋起點(diǎn),根據(jù)試件裂紋圖像的子區(qū)灰度均方差定位裂紋區(qū)域,然后使用自適應(yīng)閾值分割方法分割出裂紋,最后基于連通域和平滑去噪算法提取出精確的裂紋輪廓,以此得到裂紋長度和裂紋尖端位置。3.介紹了DSCM的基本原理和裂紋尖端位移、應(yīng)變場測量方法,對不同載荷循環(huán)下裂紋尖端的變形場進(jìn)行了計算和驗(yàn)證。該方法針對裂紋尖端存在不連續(xù)區(qū)域的情況,采用可靠性路徑導(dǎo)向的計算策略。兼顧計算精度和計算速度,在DSCM中采用反向組合高斯牛頓算法進(jìn)行亞像素位移計算,采用子區(qū)最小二乘平面擬合方法計算應(yīng)變。4.在對裂紋尖端塑性區(qū)進(jìn)行了理論分析的基礎(chǔ)上,提出了一種基于Von Mises屈服準(zhǔn)則、利用DSCM計算得到的應(yīng)變場數(shù)據(jù)的裂紋尖端塑性區(qū)形狀和尺寸的估算方法,并采用有限元方法對其結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。5.進(jìn)行了諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),測量了高頻諧振載荷作用下、裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展階段疲勞裂紋的宏觀尺寸(裂紋擴(kuò)展路徑、長度、裂紋尖端位置)、一個載荷循環(huán)內(nèi)的裂紋尖端變形場和不同裂紋長度時的裂紋尖端變形幅場,并分析和研究了其變化規(guī)律。本文研究結(jié)果可為進(jìn)一步研究高頻諧振載荷作用下疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理和擴(kuò)展參數(shù)的測量奠定基礎(chǔ),具有理論和應(yīng)用價值。
【學(xué)位單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O346;TH17
【部分圖文】：

圖 1-1 常規(guī)的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法的試驗(yàn)方法施加外加作用力的不同，實(shí)際構(gòu)件中的裂紋分為三型）裂紋、滑移型（Ⅱ型）裂紋和撕開型（Ⅲ型）裂紋，如圖開位移，作用的拉應(yīng)力垂直于裂紋面；Ⅱ型裂紋在平面內(nèi)相對裂紋面且垂直于裂紋前緣；Ⅲ型裂紋相對錯開，作用的剪應(yīng)力紋前緣。實(shí)際工程構(gòu)件中Ⅰ型裂紋最為常見，且容易產(chǎn)生低應(yīng)紋形式，所以Ⅰ型裂紋是多年來試驗(yàn)和理論研究的主體。

圖 1-1 常規(guī)的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法由于不同的試驗(yàn)方法施加外加作用力的不同，實(shí)際構(gòu)件中的裂紋分為三種基本狀態(tài)張開型（Ⅰ型）裂紋、滑移型（Ⅱ型）裂紋和撕開型（Ⅲ型）裂紋，如圖 1-2 所示。裂紋產(chǎn)生張開位移，作用的拉應(yīng)力垂直于裂紋面；Ⅱ型裂紋在平面內(nèi)相對滑開，作用應(yīng)力平行于裂紋面且垂直于裂紋前緣；Ⅲ型裂紋相對錯開，作用的剪應(yīng)力既平行于裂又平行于裂紋前緣。實(shí)際工程構(gòu)件中Ⅰ型裂紋最為常見，且容易產(chǎn)生低應(yīng)力脆斷，是險的一種裂紋形式，所以Ⅰ型裂紋是多年來試驗(yàn)和理論研究的主體。

基于DIP和DSCM的諧振載荷疲勞裂紋尖端變形場測量系統(tǒng)主要由三部分組成，一是電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，二是試件疲勞裂紋在線檢測系統(tǒng)，三是試件散斑圖像在線采集系統(tǒng)。測量系統(tǒng)的總體裝置如圖2-1所示。其中電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)包括電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)、試驗(yàn)載荷控制器、緊湊拉伸（CT）試件。試件疲勞裂紋在線檢測系統(tǒng)包括CCD相機(jī)、微距鏡頭、光源、圖像采集卡和裝有圖像處理程序的計算機(jī)。試件散斑圖像在線采集系統(tǒng)主要使用了高速相機(jī)。圖2-1 測量系統(tǒng)總體裝置2.3 測量系統(tǒng)工作原理本文中諧振式疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的對象是帶有預(yù)制裂紋的CT試件，CT試件一面是打磨后的自然金屬表面，另一面噴涂有人工散斑，將其安裝于電磁諧振式高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)上。在電磁激振器產(chǎn)生的激振力作用下，高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的振動系統(tǒng)發(fā)生共振并將正

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2815317