[发明专利]基于数字图像相关的塑性多缺陷材料M积分测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种塑性多缺陷材料损伤参量——M积分的数字图像相关测量方法

技术背景

裂纹、空洞、夹杂等缺陷的存在往往会破坏机械结构的完整性，降低材料强度和部件的寿命。在断裂力学中，沿单个裂尖闭合路径计算求得的J积分作为一个断裂参数，在预测裂纹的稳定性与扩展方面有着广泛的应用。但对于多缺陷的损伤描述，J积分则很难发挥作用，一是因为多缺陷材料往往并不存在主裂纹，这样包围单个裂尖的J积分路径难于选取；二是如果选取包含所有缺陷的路径计算J积分，J积分将满足守恒定律，其值为零，无法作为断裂损伤参数描述材料破坏。

最近，作为一种描述材料多缺陷损伤的力学参量，M积分引起了国内学者的广泛关注。经过几十年的研究，M积分作为一个可以表征材料中各种微观缺陷及其演化的力学参量，在材料损伤及结构完整性评估中发挥着重要作用。在弹塑性多缺陷材料损伤力学研究中，围绕整个缺陷的M积分，表征了该缺陷自相似扩展的能量释放率，此物理意义不依赖于闭合积分所包围的缺陷或缺陷群的具体形态。M积分的定义表达式如下：

其中w＝σ_ijε_ij/2，σ_kj，ε_ij，u_k和n_i分别为材料应变能密度、应力、应变、位移和围绕缺陷闭合积分路径C的外法向矢量；其中u_k，i为位移对相关坐标x_i的偏微分。

针对M积分参量的实验测量方法研究，目前国内外还几乎是空白。King和Herrmann[King，R.B.and Herrmann，G.(1981)Nondestructive Evaluation of the J and M-integrals，ASME Journal of Applied Mechanics，48，83-87]针对两种简单的单裂纹(单边裂纹和中心裂纹)，提出了一种无损测量M积分的方法。此方法有明显不足之处：(1)此方法只能针对特定的单裂纹情况，对于复杂的多缺陷问题无法适用；(2)材料必须为各向同性的线弹性材料，对于塑性材料，该方法无法适用。而工程上大量应用的材料，其内部缺陷多种多样(裂纹、空洞、夹杂、位错等)，且材料很容易产生塑性变形，从而限制了该方法的应用。

此外，随着实验力学以及相关的计算机图形处理技术的发展，数字图像相关技术逐渐运用于材料和结构的变形测量中，可用于测量各种材料类型下的位移场。它主要利用数学相关方法来分析受载荷作用下的试样表面数字图像数据(物体表面的随机分布的散斑点记录在数字图像中)，即利用数字图像的灰度值模式来精确测定变形，具有光路简单、对测量环境要求低、对光源要求低、对测量范围可以任意制定等特点。

发明内容

本发明针对以往技术所存在的问题，通过数字散斑相关技术测量方法，对含多缺陷的塑性材料在任意载荷下的位移场进行测量，并利用Ramberg-Osgood非线性本构方程计算材料的各物理场，进而提出一种塑性多缺陷材料M积分的无损测量方法。具有测量准确度较高、适用缺陷对象宽泛、测量简便、载荷可以任意加载等特点。为达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现：

一种基于数字图像相关的塑性多缺陷材料M积分测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)制备拉伸试验标准试件，对该试件进行单向拉伸，得到试件材料的非线性应变-应力曲线，引入Ramberg-Osgood塑性本构：ε/ε₀＝σ/σ₀+α(σ/σ₀)ⁿ，利用最小二乘法拟合所述的应变-应力曲线，得到试件的各个材料常数：弹性模量E、泊松比v、屈服应变ε₀、屈服应力σ₀、硬化系数α及硬化指数n；

(2)针对存在陷缺的同一材料另一试件，使用三维白光散斑应变测量设备，测量在其在整个加载过程中试件表面的位移场u_x和u_y；采样并记录每个载荷步下的试件表面的位移场u_x和u_y；

(3)利用均值滤波器方法对步骤(2)得到的每个载荷步下含有噪声的位移场进行平滑处理，将平滑处理后的位移场在两坐标轴方向进行三次样条曲线拟合，得到位移场沿两坐标轴方向的位移梯度：和以及应变场ε_x、ε_y、ε_xy；