基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于DIC‑EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法。本发明专利技术的基于DIC‑EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法，基于DIC技术获得目标图像的坐标位置和位移测量结果，但此时裂纹周围的结果是缺失的，再针对裂纹尖端部分采用小subset进行分析并对节点进行加密，从而得到裂纹周围加密的节点信息和位移场，然后基于前面导出的节点信息建立了无网格计算模型，再将前面得到的位移场输入至无网格模型中，最后基于EFG法计算裂纹尖端的应力和应变。通过将DIC技术与EFG法相结合，有效地克服了现有DIC技术分析裂纹尖端位移数据缺失和应变场计算结果不准确的问题，同时基于DIC‑EFG法建模无需进行网格化分，建模方便、快速且准确。

A method of analyzing strain field at crack tip based on dic-efg joint simulation

The invention discloses a method for analyzing strain field at crack tip based on DIC \u2011 EFG joint simulation. The method of joint simulation and analysis of crack tip strain field based on DIC \u2011 EFG of the invention obtains the coordinate position and displacement measurement results of the target image based on DIC technology, but the results around the crack are missing at this time. Then small subset is used to analyze the crack tip part and encrypt the nodes, so as to obtain the encrypted node information and displacement field around the crack Based on the node information derived above, a meshless calculation model is established, and then the displacement field obtained above is input into the meshless model. Finally, the stress and strain at the crack tip are calculated based on the EFG method. Through the combination of DIC technology and EFG method, the problems of lack of displacement data of crack tip and inaccurate calculation results of strain field are effectively overcome. At the same time, the modeling based on DIC \u2011 EFG method is convenient, fast and accurate without gridding.

【技术实现步骤摘要】
基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法
本专利技术涉及应变场分析
，特别地，涉及一种基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法。
技术介绍
DIC(DigitalImageCorrelation，数字图像相关)技术也称数字散斑相关方法，是20世纪80年代初由美国南卡罗莱纳大学的Peter、Rutton和日本的Yamaguchi同时提出，经由Sutton和T.C.Chu等人发展起来的一种测试方法。该方法将表面随机分布的散斑点数据作为信息的载体，利用数学相关方法来分析受载荷作用下试样表面数字图像，通过对比被测物体变形前后图像灰阶来确定全平面的位移和变形。该方法不仅可以做到非接触和全场范围的应变测量，而且实验设备和操作简单，对测量环境的要求低。在固体力学、材料性能以及断裂力学实验研究领域获得了广泛的应用。现有技术中通常采用DIC技术结合有限元分析理论来对应变场进行分析计算，具体方式是通过DIC技术计算出试件表面位移大小，然后再基于有限元理论进行应变计算，为了便于网格划分，常采用三角形单元或四面体单元进行分析。但针对裂纹周围区域，传统的DIC计算方法无法准确获得裂纹周围应变场，因此，现有DIC技术存在裂纹周围应变场计算结果不准确的问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法，以解决现有DIC技术中裂纹周围应变场计算结果不准确的问题。根据本专利技术的一个方面，提供一种基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法，包括以下步骤：步骤S1：基于DIC技术获得试样变形前后的两幅全场平面高清摄像图，变形前的图像为参考图像，变形后的图像为目标图像；步骤S2：基于DIC技术搜索得到目标图像的节点信息和位移场，此时裂纹周围的结果缺失；步骤S3：针对裂尖部分采用小subset进行分析识别裂纹路径及裂纹尖端，获得裂纹周围加密的节点信息和位移场；步骤S4：基于步骤S2和步骤S3导出的节点信息建立无网格计算模型；步骤S5：将步骤S2和步骤S3得到的位移场引入无网格模型，并基于EFG法计算裂纹尖端的应力和应变。进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：步骤S21：选择全场范围，采用合适的subset尺寸进行搜索，获得试样表面的位移测量结果及节点分布信息；步骤S22：设置整体参考坐标系Oxy；步骤S23：按照第一间距分布场节点，导出全场范围内场节点的坐标位置(x，y)和位移(ux，uy)。进一步地，所述步骤S23中通过以下步骤计算全场范围内每个场节点的位移：在参考图像中取以待求点(x，y)为中心、大小为(2m+1)pixel*(2m+1)pixel的矩形区域作为初始图像子区A，通过搜索找到一个以(x’，y’)为中心的变形图像子区B，初始图像子区A和变形图像子区B之间的相关性达到最大值，根据两点在初始图像子区A和变形图像子区B中的坐标差值就可以得到该待求点(x，y)的位移信息；其中，相关性函数通过以下公式来计算，函数值越小相关性越大：其中，x、y表示参考图像中的像素坐标，u、v表示实际坐标值，I(x+i，y+j)表示参考图像中(x+i，y+j)处的灰度值，I*(x+u+i，y+v+j)表示目标图像中(x+u+i，y+v+j)处的灰度值。进一步地，所述步骤S21中合适的subset尺寸以满足相关性最大为前提进行选择。进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：步骤S31：选择包含裂纹尖端的区域A’B’C’D’采用小subset尺寸进行裂纹路径和裂尖识别，获得裂纹尖端部分的位移测量结果及节点分布信息；步骤S32：设置局部参考坐标系，该局部参考坐标系与整体坐标参考系始终保持一致；步骤S33：按照加密间距分布场节点，导出裂纹尖端区域ABCD内相应场节点的坐标位置(x，y)和位移(ux，uy)。进一步地，所述步骤S31中采用小subset尺寸进行搜索时表面应变场不出现搜索空洞。进一步地，所述裂纹尖端加密区域ABCD应包括裂纹并且四周向外扩张不少于di，di为EFG法的搜索半径，di的取值为第一间距的2～4倍，加密间距的取值为第一间距的1/4。进一步地，所述区域A’B’C’D’的节点间距为第一间距的1/2，且区域A’B’C’D’与裂纹尖端区域ABCD的边界距离为(1～2)*di。进一步地，所述步骤S5中基于EFG法计算应变时可以采用衍射法或可视准则或透明法搜索裂尖节点以建立型函数。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法，基于DIC技术获得目标图像的坐标位置和位移测量结果，但此时裂纹周围的结果是缺失的，再针对裂纹尖端部分采用小subset进行分析并对节点进行加密，从而得到裂纹周围加密的节点信息和位移场，然后基于前面导出的节点信息建立了无网格计算模型，再将前面得到的位移场输入至无网格模型中，最后基于EFG法计算裂纹尖端的应力和应变。通过将DIC技术与EFG法相结合，有效地克服了现有DIC技术分析裂纹尖端位移数据缺失和应变场计算结果不准确的问题，同时基于DIC-EFG法建模无需进行网格化分，建模方便、快速且准确。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1是本专利技术优选实施例的基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法的流程示意图。图2是本专利技术优选实施例的图1中的步骤S2的子流程示意图。图3是本专利技术优选实施例的图2中的步骤S21获得的试样全表面的位移测量结果示意图。图4是本专利技术优选实施例的图2中的步骤S23获得的全场范围内场节点的坐标位置示意图。图5是本专利技术优选实施例的图2中的步骤S23中计算某个待求点的位移信息的示意图。图6是本专利技术优选实施例的图1中的步骤S3的子流程示意图。图7是本专利技术优选实施例的图6中的步骤S31中获得的裂纹尖端部分的位移测量结果和节点分布信息的示意图。图8是本专利技术优选实施例的图6中的步骤S33中获得的裂纹尖端区域ABCD内相应场节点的坐标位置和位移结果的示意图。图9是本专利技术优选实施例的图1中的步骤S4建立的无网格模型的示意图。图10a是本专利技术优选实施例的图1中的步骤S5中采用衍射法搜索节点的示意图。图10b是本专利技术优选实施例的图1中的步骤S5中采用可视准则搜索节点的示意图。图11是本专利技术优选实施例的试验中的试样的尺寸示意图。图12a是本专利技术优选实施例的试验中得到的试样在10KN荷载作用下的全场位移试验测试结果中的X向位移云图的示意图。图12b是本专利技术优选实施例的试验中得到的试本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法，其特征在于，/n包括以下步骤：/n步骤S1：基于DIC技术获得试样变形前后的两幅全场平面高清摄像图，变形前的图像为参考图像，变形后的图像为目标图像；/n步骤S2：基于DIC技术搜索得到目标图像的节点信息和位移场，此时裂纹周围的结果缺失；/n步骤S3：针对裂尖部分采用小subset进行分析识别裂纹路径及裂纹尖端，获得裂纹周围加密的节点信息和位移场；/n步骤S4：基于步骤S2和步骤S3导出的节点信息建立无网格计算模型；/n步骤S5：将步骤S2和步骤S3得到的位移场引入无网格模型，并基于EFG法计算裂纹尖端的应力和应变。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤S1：基于DIC技术获得试样变形前后的两幅全场平面高清摄像图，变形前的图像为参考图像，变形后的图像为目标图像；
步骤S2：基于DIC技术搜索得到目标图像的节点信息和位移场，此时裂纹周围的结果缺失；
步骤S3：针对裂尖部分采用小subset进行分析识别裂纹路径及裂纹尖端，获得裂纹周围加密的节点信息和位移场；
步骤S4：基于步骤S2和步骤S3导出的节点信息建立无网格计算模型；
步骤S5：将步骤S2和步骤S3得到的位移场引入无网格模型，并基于EFG法计算裂纹尖端的应力和应变。


2.如权利要求1所述的基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法，其特征在于，
所述步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21：选择全场范围，采用合适的subset尺寸进行搜索，获得试样表面的位移测量结果及节点分布信息；
步骤S22：设置整体参考坐标系Oxy；
步骤S23：按照第一间距分布场节点，导出全场范围内场节点的坐标位置(x，y)和位移(ux，uy)。


3.如权利要求2所述的基于DIC-EFG联合仿真分析裂纹尖端应变场的方法，其特征在于，
所述步骤S23中通过以下步骤计算全场范围内每个场节点的位移：
在参考图像中取以待求点(x，y)为中心、大小为(2m+1)pixel*(2m+1)pixel的矩形区域作为初始图像子区A，通过搜索找到一个以(x’，y’)为中心的变形图像子区B，初始图像子区A和变形图像子区B之间的相关性达到最大值，根据两点在初始图像子区A和变形图像子区B中的坐标差值就可以得到该待求点(x，y)的位移信息；
其中，相关性函数通过以下公式来计算，函数值越小相关性越大：



其中，x、y表示参考图像中的像素坐标，u、v表示实际坐标值，I(x+i，y+j)表示参考图像中(x+...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志辉，罗思慧，冯乾朔，龚威，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43