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用于斷裂韌度的施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移的測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及用于斷裂韌度的施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移的測(cè)量方法；基于面陣電荷藕合器件圖像傳感器CCD視覺(jué)系統(tǒng)，采用非接觸測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)像素的捕捉得到變形信號(hào)，信號(hào)通過(guò)圖像處理和單元處理，并從圖像處理軟件中讀出，得到施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移。CCD視覺(jué)系統(tǒng)包括：鏡頭、CCD相機(jī)、圖像處理單元以及圖像處理軟件。本發(fā)明非接觸測(cè)量方法舍棄了夾式引伸計(jì)和彎曲桿的附加結(jié)構(gòu)，通過(guò)光學(xué)圖像和圖像處理軟件，同時(shí)測(cè)量施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移，沒(méi)有裝卡因素和環(huán)境因素的影響，更加精確、方便、易于實(shí)驗(yàn)操作。同時(shí)采樣速度快，測(cè)量空間范圍大，精度較高，實(shí)時(shí)性能好，內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)通信易于與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)上位機(jī)程序的測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于斷裂韌度的施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料的斷裂韌度(韌性)試驗(yàn)，特別是涉及用于斷裂韌度的施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]斷裂韌度在斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，指材料在外載荷作用下抵抗開(kāi)裂和裂紋擴(kuò)展的能力，也就是材料在斷裂前所經(jīng)歷的彈塑性變形過(guò)程中吸收能量的大小。斷裂韌度反映了材料的強(qiáng)度和塑性，是強(qiáng)度和塑性的綜合體現(xiàn)。為防止低應(yīng)力脆斷選用材料時(shí)，根據(jù)材料的斷裂韌度指標(biāo)，可以對(duì)構(gòu)件允許的工作應(yīng)力和裂紋尺寸進(jìn)行定量計(jì)算。準(zhǔn)確地測(cè)試材料的斷裂韌度不僅可確保其結(jié)構(gòu)使用的安全性，而且是在新產(chǎn)品研發(fā)中評(píng)價(jià)其是否滿(mǎn)足管材韌性要求的有效途徑。因此，斷裂韌度是斷裂力學(xué)認(rèn)為能反映材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的性能指標(biāo)，對(duì)構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)斷裂韌度的參數(shù)有:應(yīng)力強(qiáng)度因子K、裂紋尖端張開(kāi)位移CTOD和J積分。裂紋尖端張開(kāi)位移CTOD是由缺口張開(kāi)位移計(jì)算得到，參數(shù)J是通過(guò)計(jì)算施力點(diǎn)位移得到的。缺口張開(kāi)位移和施力點(diǎn)位移是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)采集，在后期的數(shù)據(jù)處理中，可以得出缺口張開(kāi)位移的塑性分量，用于計(jì)算CTOD值，以及得出力和施力點(diǎn)位移曲線(xiàn)下面積的塑性分量，用于計(jì)算J積分。而且，針對(duì)單試樣法測(cè)量啟裂韌度，需要多次加載卸載，也需要兩個(gè)位移具有一定的連續(xù)性。所以，為了得到準(zhǔn)確的斷裂韌度，在實(shí)驗(yàn)中精確測(cè)量這兩個(gè)位移是至關(guān)重要的。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T21143-2007和很多文獻(xiàn)資料所示，通常采用夾式引伸計(jì)測(cè)量缺口張開(kāi)位移，采用在彎曲桿上貼應(yīng)變片的方式測(cè)量施力點(diǎn)位移。夾式引伸計(jì)通常安裝在刀口上，所以刀口與缺口的粘貼很重要，同時(shí)對(duì)缺口的加工要求也很高，受裝卡影響較大，并且引伸計(jì)需要經(jīng)常標(biāo)定，以確保測(cè)量的精準(zhǔn)性。采用貼應(yīng)變片的方式雖然精度較高，但是應(yīng)變片長(zhǎng)期暴露在外面，受外界環(huán)境影響較大，所以需要定期更換應(yīng)變片，較為麻煩。如果一個(gè)試件想同時(shí)得到CTOD和J值，需要同時(shí)測(cè)量施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移，準(zhǔn)備工作很多，實(shí)驗(yàn)裝置也相對(duì)復(fù)雜，極為不方便，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在問(wèn)題，提供一種非接觸的測(cè)量方法，可以一次性測(cè)出施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移，方便快捷，易于實(shí)驗(yàn)操作，且測(cè)量精度理想。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0005]基于面陣電荷藕合器件圖像傳感器CCD視覺(jué)系統(tǒng)的非接觸測(cè)量，是通過(guò)對(duì)像素的捕捉得到變形信號(hào)，信號(hào)通過(guò)圖像處理和單元處理，并從圖像處理軟件中讀出。目前，電子設(shè)備發(fā)展很快，都是單一的發(fā)展和應(yīng)用，而對(duì)于開(kāi)發(fā)應(yīng)當(dāng)?shù)暮苌?。我們就是根?jù)相機(jī)和自帶系統(tǒng)，使他們應(yīng)用于測(cè)量這兩種位移中，這是目前還沒(méi)有的。
[0006]采用標(biāo)準(zhǔn)試件做實(shí)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)試件是需要先用線(xiàn)切割切割裂紋缺口，并且需要預(yù)制裂紋，然后才能開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。做斷裂韌性實(shí)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試件，本身就是有缺口有裂紋的。首先對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)記，在白紙上用兩個(gè)黑色實(shí)心圓分別標(biāo)記在已有裂紋缺口兩側(cè)，并對(duì)標(biāo)記位置進(jìn)行定位。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)黑白像素捕捉兩個(gè)圓的邊界，計(jì)算出實(shí)心圓的圓心，可以測(cè)出兩個(gè)圓心之間距離的變化，即為缺口張開(kāi)位移
[0007]同理，在已有的實(shí)心圓下方，即靠近裂紋擴(kuò)展方向再標(biāo)記兩個(gè)實(shí)心圓，同時(shí)測(cè)出第二組缺口張開(kāi)位移V2，通過(guò)公式可計(jì)算出施力點(diǎn)位移。標(biāo)記位置不可以超出已有的裂紋缺口長(zhǎng)度，防止因裂紋尖端的塑性變形導(dǎo)致標(biāo)記的不平整，影響測(cè)量結(jié)果。標(biāo)簽紙可通過(guò)熱敏打印機(jī)或標(biāo)簽打印機(jī)打印，確保打印清晰，圖像精細(xì)。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:該非接觸測(cè)量方法舍棄了夾式引伸計(jì)和彎曲桿的附加結(jié)構(gòu)，通過(guò)光學(xué)圖像原理和圖像處理軟件，同時(shí)測(cè)量施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移，沒(méi)有裝卡因素和環(huán)境因素的影響，更加精確、方便、易于實(shí)驗(yàn)操作，對(duì)環(huán)境要求不高。同時(shí)采樣速度快，測(cè)量空間范圍大，精度較高，實(shí)時(shí)性能好，內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)通信易于與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)上位機(jī)程序的測(cè)量。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1:基于面陣CXD的非接觸測(cè)量原理圖。
[0010]圖2:測(cè)量方法示意圖。
[0011]圖3:X80管線(xiàn)鋼整體測(cè)試系統(tǒng)。
[0012]圖4:標(biāo)記的放大與識(shí)別。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖所示的非接觸測(cè)量原理和測(cè)量方式示意圖，對(duì)本發(fā)明過(guò)程加以詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]該發(fā)明中使用電荷藕合器件圖像傳感器CCD，由一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線(xiàn)轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。其光譜范圍寬，測(cè)量空間范圍大，測(cè)量精度高，實(shí)時(shí)性能好，對(duì)環(huán)境要求不高。CCD傳感器輸出的是數(shù)字量，易于與計(jì)算機(jī)接口通信，實(shí)現(xiàn)顯示結(jié)果、存貯、畫(huà)圖，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理。而面陣C⑶則具有聚集容易，易于獲得穩(wěn)定的光源，對(duì)試件標(biāo)記捕捉不易丟失等眾多優(yōu)點(diǎn)。
[0015]圖1中采用的面陣C⑶視覺(jué)系統(tǒng)主要包括:鏡頭、CXD相機(jī)、圖像處理單元以及圖像處理軟件。在非接觸測(cè)試過(guò)程中，在試樣上制作標(biāo)記，標(biāo)記A位于裂紋一側(cè)，標(biāo)記B位于裂紋另一側(cè)，并測(cè)量出標(biāo)距，應(yīng)保證標(biāo)記線(xiàn)明顯，圖像精細(xì)。采用C⑶相機(jī)得到試樣變形信號(hào)，信號(hào)通過(guò)圖像處理單元處理并從與相機(jī)配套的圖像處理軟件中讀出，認(rèn)為此非接觸測(cè)量得到的試樣變形結(jié)果即為試樣的真實(shí)變形。試件經(jīng)過(guò)穩(wěn)定的面光源照射后經(jīng)光學(xué)鏡頭成像于CCD相機(jī)。A經(jīng)變形為，B變形為B ^。k'k’ ,B,B ;分別成像于a、a ^ ,b.b ;點(diǎn)。由光學(xué)知識(shí)可知，在相機(jī)、鏡頭和試件相對(duì)位置固定時(shí)，試件上A、B兩點(diǎn)之間距離與成像點(diǎn)a、b之間距離成比例關(guān)系，因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)前后像素和位移的比例關(guān)系可得:
[0016]
【權(quán)利要求】
1.用于斷裂韌度的施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移的測(cè)量方法；其特征是基于面陣電荷藕合器件圖像傳感器CCD視覺(jué)系統(tǒng)，采用非接觸測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)像素的捕捉得到變形信號(hào)，信號(hào)通過(guò)圖像處理和單元處理，并從圖像處理軟件中讀出，得到施力點(diǎn)位移和缺口張開(kāi)位移。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是CCD視覺(jué)系統(tǒng)包括:鏡頭、CCD相機(jī)、圖像處理單元以及圖像處理軟件。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是采用標(biāo)準(zhǔn)試件做實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)記紙上用兩個(gè)黑色實(shí)心圓分別標(biāo)記在已有裂紋缺口兩側(cè)，并對(duì)標(biāo)記位置進(jìn)行定位；實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)黑白像素捕捉兩個(gè)圓的邊界，計(jì)算出實(shí)心圓的圓心，可以測(cè)出兩個(gè)圓心之間距離的變化，即為缺口張開(kāi)位移V1 ;同理，在靠近裂紋擴(kuò)展方向再標(biāo)記兩個(gè)實(shí)心圓，同時(shí)測(cè)出第二組缺口張開(kāi)位移V2,通過(guò)公式(I)可計(jì)算出施力點(diǎn)位移；
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征是標(biāo)記位置不能超出已有的裂紋缺口長(zhǎng)度。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征是試件經(jīng)過(guò)穩(wěn)定的面光源照射后經(jīng)光學(xué)鏡頭成像于CXD相機(jī)；標(biāo)記為白色紙上的黑色實(shí)心圓分別貼在試件的裂紋兩側(cè)，A、B、C、D分別代表四個(gè)實(shí)心圓的圓心，實(shí)驗(yàn)前先測(cè)量出AB和CD標(biāo)記間的實(shí)際距離，A、B、C、D點(diǎn)到試件邊緣的距離，測(cè)量取平均后為Z1和z2;通過(guò)黑白像素捕捉實(shí)心圓的邊界，從而自動(dòng)確定實(shí)心圓的圓心，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前自動(dòng)記錄兩個(gè)圓心之間的像素值，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圓心之間變形后的像素值，通過(guò)公式(1)計(jì)算，可以得到實(shí)際的位移值，即V1和V2。缺口張開(kāi)位移可用V1或V2表示，當(dāng)裂紋嘴張開(kāi)角度小于8°時(shí)，施力點(diǎn)位移q可由公式(3)計(jì)算得到，當(dāng)裂紋嘴張開(kāi)角度大于或等于8°時(shí)，施力點(diǎn)位移q可由公式(4)計(jì)算得到。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征是當(dāng)標(biāo)記在試件外部時(shí)，Z1和Z2為正，當(dāng)標(biāo)記在試件上時(shí)，Z1和Z2取負(fù)。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK103697823SQ201310755294
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】陳旭, 張喆, 陳剛, 李珞, 石磊 申請(qǐng)人:天津大學(xué)