一种三维体内部裂纹前缘张开型SIF连续测量方法技术

本发明专利技术提出一种三维体内部裂纹前缘张开型SIF连续测量方法，将含有内部裂纹的三维环氧树脂模型进行升温、恒温，加载及降温处理，使三维裂纹前缘的奇异性形变被固化。经机械加工去除三维裂纹面，仅保留下环氧树脂模型内部包含裂纹前缘根部的基础部分，对保留下的裂纹根部进行抛光处理，使之成为镜面反射面，之后再经升温、保温及降温的处理过程实现三维环氧树脂模型应力释放，使三维裂纹前缘部出现与加载时反方向的形变。然后使用收束光照射三维体裂纹前缘部的应变奇异区，获得沿三维裂纹前缘的连续caustic图像，通过对caustic图像特征参数的测量和计算，可实现三维体内部裂纹前缘张开型SFI数值的连续定量测量。

A new method for the continuous measurement of the crack tip opening SIF

The present invention provides a 3D body internal crack front open type SIF continuous measurement method, three-dimensional model of epoxy resin containing internal crack heating, constant temperature, loading and cooling treatment, the singularity deformation of the 3D crack front is cured. Through machining 3D crack removal part, retaining only the basis of the epoxy resin model contains an internal crack root crack, root to retain the polishing treatment, make it become the mirror reflector, then the process of heating and cooling of the realization of three dimensional stress release model of epoxy resin, the 3D crack the front appears when loaded with reverse deformation. Strain singular area and then use the light pack three-dimensional crack front part of the continuous caustic image along the 3D crack front, through the measurement and calculation of caustic image feature parameters, continuous quantitative measurement can realize the three-dimensional internal crack front open type numerical SFI.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三维体内部裂纹前缘张开型SIF连续测量方法，属于实验固体力学领域。
技术介绍
机械零部件及结构件中裂纹的存在以及随后的增长会导致严重事故。为了确定结构和零件的强度，SIF(stressintensityfactor)作为裂纹尖端附近高应力区域应力场大小的度量，已被有效地应用于各种断裂力学问题，SIF是结构安全设计中一个非常重要的参数。二维裂纹SIF的理论计算和实验测试方法已经比较成熟。但是，实际结构物绝大部分为三维体结构，而裂纹和缺陷往往处于三维体内部。因此确定三维体内部裂纹尖端的SIF，特别是沿裂纹前缘连续分布的SIF非常重要。虽然SIF可采用理论方法和解析方法进行计算，但是在解决实际问题时，特别是在复杂边界条件下，三维裂纹问题往往难于得到准确的理论解和数值解。另外，计算结果的正确性必须通过实验予以验证。现实情况是，当裂纹处于三维体内部时，使用一般的实验方法难于对表征裂纹尖端应力奇异场的SIF进行定量测量，且极难获得三维体内部裂纹前沿SIF的分布情况。SIF有张开型、面内剪切型、面外剪切型三种基本模式(如图1所示)，其中张开型SIF是三种模式中最为常见的一种。到目前为止，能够通过实验获得三维体内部SIF的方法只有光弹性应力冻结切片法。该方法需要沿裂纹平面垂直方向切取厚度为5-6mm的光弹切片，通过分析该切片上裂纹尖端附近光弹条纹分布，获得切片上裂纹尖端处的张开型SIF的数值。由于光弹切片的厚度不能太薄，太薄了光弹条纹模糊不清，分辨率低，结果精度达不到要求。因此实验得到的SIF是切片厚度区域的一个平均值。另外，若想要获得裂纹前缘不同位置的SIF，必须沿裂纹前缘垂直方向切取许多个切片，切片有一定厚度，另外，每个切片之间还都有一定的间距，因此得到的SIF是间距较大的离散点数据。所以使用光弹性应力冻结切片法不能对三维体内部裂纹前缘的SIF进行连续测量。而且使用光弹性应力冻结切片法确定裂纹尖端的SIF，需要裂纹尖端的数条等差线条纹的数值，由于差线条纹条纹的中心线难于准确判断，试验精度不高。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术中不能对三维体内部裂纹前缘SIF进行连续测量的不足，提供一种三维体内部裂纹前缘张开型SIF的连续测量方法。本专利技术提出一种三维体内部裂纹前缘张开型SIF连续测量方法，通过应力冻结、应力释放及caustic法得到三维体内部裂纹前缘连续变化的caustic图像，再通过理论计算获得三维体内部沿裂纹前缘各个点的张开型SFI的数值。将内部带有三维裂纹的环氧树脂模型进行升温、恒温，加载后降温，使模型裂纹尖端各点中产生的奇异性变形在降温过程中固化，将应力进行冻结。然后通过机械加工去除三维裂纹面，仅保留下环氧树脂模型内部包含环形裂纹根部基础部分。对保留下的环形裂纹根部进行打磨和抛光处理，使之成为镜面反射面。之后再通过与应力冻结过程相同的升温、恒温和降温环节，对环氧树脂模型三维裂纹尖端部已被固定的形变进行应力释放，使三维裂纹前缘部出现与加载时相反的变形。然后通过收束光照射三维体裂纹根部出现的应变奇异区，沿三维裂纹前沿会显现出caustic图像。通过测取裂纹前缘caustic线图像的特征参数，并通过数学计算，获得三维体内部裂纹前缘各点的张开型SFI的数值。本专利技术的技术解决方案是：三维体内部裂纹前缘张开型SIF的连续测量方法，包括：三维体模型内部裂纹制作、加载与应力冻结、加工保留内部裂纹前缘应力奇异区、通过应力释放显现三维裂纹前缘形变、caustic法获取三维裂纹前缘张开型SIF的连续图像和定量确定张开型SIF数值六个实施步骤；其中，三维体模型内部裂纹制作步骤通过预埋入制做出带有内部裂纹的环氧树脂三维模型。加载与应力冻结步骤：对带有内部裂纹的环氧树脂模型施加拉伸载荷，形成张开型形变，并通过对模型的升温、保温以及缓慢降温过程对环氧树脂模型受载后的形变实施应力冻结。加工保留内部裂纹前缘应力奇异区步骤：由于在模型外部不能直接获得三维体内部裂纹前缘的形变信息，因此需通过机械加工去除三维裂纹面，仅保留下环氧树脂模型内部包含环形裂纹根部的基础部分。并对保留下的环形裂纹根部进行抛光处理，使之成为镜面反射面，为后续的变形光学测量做准备。通过应力释放显现三维裂纹前缘形变步骤将抛光过的含环形裂纹根部的模型缓慢升温，加热至环氧树脂材料的高弹态温度，使沿裂纹前缘部被冻结固化的应力在高温下得到充分释放，产生反向变形，位移恢复到加载前的初始位置，裂纹前缘部位显现出环形凹槽。caustic法获取三维裂纹前缘张开型SIF的连续图像的功能是：使用反射式光学caustic法获取裂纹前缘各部位的连续caustic图像。定量确定张开型SIF数值步骤：基于裂纹前缘caustic图像的特征参数，计算出各点的张开型SIF数值。其中，所述的三维体模型内部裂纹制作的实现方法和具体步骤如下：首先制作一个上方开放的长方形金属容器，并制作一片圆形金属薄片。将圆形金属薄片以悬吊方式垂直置入长方形金属容器盒的中部，置入深度为圆形金属薄片的半径。然后将环氧树脂与固化剂充分搅拌均匀之后缓慢注入上方开口的长方形金属容器盒内。待长方形金属容器盒被填充满之后，对金属容器盒内的胶状环氧树脂进行升温、恒温和降温，待金属容器盒内的环氧树脂完全冷却后，就会变为固化模型。将固化好的长方形环氧树脂模型从金属容器盒中取出，并拔出金属圆形薄片，于是制作出了带有半圆形内部裂纹的三维环氧树脂试验件。其中，所述的加载与应力冻结的实现方法和具体步骤如下：将带有半圆形内部裂纹的长方体环氧树脂试验件放入温度可控的温箱中，试验件竖直安装，上部卡紧固支，使裂纹面处于水平状态。试验件下部安装夹持部件，通过砝码配重对长方体环氧树脂试验件加载，因此加载后的裂纹前缘尖端部形成了张开型模式。对温箱内的温度过程进行控制，从室温开始逐渐缓慢加温，待温度上升至125℃后转入恒温状态，待恒温2-3个小时之后，此时通过砝码对试验件进行轴向加载，裂纹前缘各部产生张开型位移。为了使变形能达到稳定状态，再保持125℃的恒定温度10小时，之后控制温箱内的温度以非常缓慢的速率下降，降温过程持续100小时后，温箱内温度降至60℃，然后关闭温箱电源，温箱内的温度自然缓慢降至室温。经过上述过程裂纹前缘尖端部产生的应力和形变可被固化(即应力冻结)。应力冻结后模型可进行机械加工，加工过程需要注意冷却，不要使试验件产生60℃以上的温度，以免模型内的应力发生变化。其中，所述的加工保留内部裂纹前缘应力奇异区的实现方法和具体步骤如下：为了获得三维环氧树脂模型内部裂纹尖端的局部变形，先通过机械加工的方法去除裂纹面，仅保留下环氧树脂试验件内部裂纹的根部基础部分。其原因是裂纹前缘处于三维模型内部，不能直接观测到裂纹前缘的形变情况，通过机械加工使得裂纹前缘显露出来，为下一步的裂纹尖端张开型SIF测量做好准备。由于机械加工多少会使得裂纹前缘表面有一定的粗糙度。因此对裂纹前缘表面进行抛光处理，使其成为镜面状态，为后续的反射式光学测量做好准备。其中，所述通过应力释放显现三维裂纹前缘形变是基于环氧树脂材料的特有性质，将已经过应力冻结的环氧树脂试验件，通过升温、保温、降温过程，将环氧树脂试验件中的冻结应力释放掉，在应力释放的过程中，三维本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维体内部裂纹前缘张开型SIF连续测量方法，其特征在于：包括三维体模型内部裂纹制作、加载与应力冻结、加工保留内部裂纹前缘应力奇异区、通过应力释放显现三维裂纹前缘形变、caustic法获取三维裂纹前缘张开型SIF的连续图像和定量确定张开型SIF数值六个步骤，实现如下：步骤一：三维体模型内部裂纹制作首先通过预埋制作出带有内部裂纹的环氧树脂三维模型；步骤二：加载与应力冻结对带有内部裂纹的环氧树脂模型施加拉伸载荷，使裂纹前缘出现张开型变形，并通过对含有裂纹的环氧树脂三维模型升温、保持及降温过程，对环氧树脂三维模型受载后的形变进行应力冻结，即使环氧树脂三维模型裂纹部的形变固化；步骤三：加工保留内部裂纹前缘应力奇异区通过机械加工去除环氧树脂三维模型裂纹面，仅保留下环氧树脂三维模型内部环形裂纹前缘根部，并对保留下的环形裂纹前缘根部进行抛光处理，使之成为镜面反射面；之后再通过与应力冻结过程相同的升温、保持和降温过程，对环氧树脂三维模型裂纹尖端部已被固定的形变进行应力释放，沿裂纹根部将会出现应变奇异区；步骤四：通过应力释放显现环氧树脂三维裂纹前缘形变将抛光过的含裂纹前缘根部的环氧树脂三维模型缓慢升温，加热至环氧树脂材料的高弹态温度，使沿裂纹前缘部被冻结固化的应力在高温下得到充分释放，裂纹前缘部位反向变形，位移恢复至加载前的初始位置，形成环形凹槽；步骤五：caustic法获取环氧树脂三维模型裂纹前缘张开型SIF的连续图像使用反射式光学caustic法照射环氧树脂三维模型裂纹前缘部的应变奇异区，获取裂纹前缘各部位的连续caustic图像；步骤六：定量确定张开型SIF数值基于裂纹前缘caustic图像的特征参数，计算出环氧树脂三维模型裂纹前缘各点的张开型SIF数值。...

【技术特征摘要】
1.一种三维体内部裂纹前缘张开型SIF连续测量方法，其特征在于：包括三维体模型内部裂纹制作、加载与应力冻结、加工保留内部裂纹前缘应力奇异区、通过应力释放显现三维裂纹前缘形变、caustic法获取三维裂纹前缘张开型SIF的连续图像和定量确定张开型SIF数值六个步骤，实现如下：步骤一：三维体模型内部裂纹制作首先通过预埋制作出带有内部裂纹的环氧树脂三维模型；步骤二：加载与应力冻结对带有内部裂纹的环氧树脂模型施加拉伸载荷，使裂纹前缘出现张开型变形，并通过对含有裂纹的环氧树脂三维模型升温、保持及降温过程，对环氧树脂三维模型受载后的形变进行应力冻结，即使环氧树脂三维模型裂纹部的形变固化；步骤三：加工保留内部裂纹前缘应力奇异区通过机械加工去除环氧树脂三维模型裂纹面，仅保留下环氧树脂三维模型内部环形裂纹前缘根部，并对保留下的环形裂纹前缘根部进行抛光处理，使之成为镜面反射面；之后再通过与应力冻结过程相同的升温、保持和降温过程，对环氧树脂三维模型裂纹尖端部已被固定的形变进行应力释放，沿裂纹根部将会出现应变奇异区；步骤四：通过应力释放显现环氧树脂三维裂纹前缘形变将抛光过的含裂纹前缘根部的环氧树脂三维模型缓慢升温，加热至环氧树脂材料的高弹态温度，使沿裂纹前缘部被冻结固化的应力在高温下得到充分释放，裂纹前缘部位反向变形，位移恢复至加载前的初始位置，形成环形凹槽；步骤五：caustic法获取环氧树脂三维模型裂纹前缘张开型SIF的连续图像使用反射式光学caustic法照射环氧树脂三维模型裂纹前缘部的应变奇异区，获取裂纹前缘各部位的连续caustic图像；步骤六：定量确定张开型SIF数值基于裂纹前缘caustic图像的特征参数，计算出环氧树脂三维模型裂纹前缘各点的张开型SIF数值。2.根据权利要求1所述的三维体内部裂纹前缘张开型SIF连续测量方法，其特征在于：所述步骤五的步骤如下：首先通过扩束镜将He-Ne激光器的汇聚光束变为发散光，然后使用准直镜将发...

【专利技术属性】
技术研发人员：商兰，吴大方，王怀涛，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11