基于退相关DIC的疲劳裂纹全局动态测量方法

摘要

工程材料和结构在反复荷载长期作用下容易发生疲劳开裂,疲劳裂纹测量对于开展科学试验研究和工程问题分析都至关重要,但现有方法无法实现高精度的疲劳裂纹全局动态测量.本文基于数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术,合理利用DIC的退相关效应,提出一种疲劳裂纹全局动态测量及可视化方法.该方法首先在相机采集得到的裂纹图像内,建立具备拓扑关系的目标点云结构,并运用DIC亚像素算法得到裂纹区域位移场,再基于零均值归一化互相关(zero-mean normalized cross correlation,ZNCC)计算结果剔除退相关的DIC目标点(灭点).进一步通过“三生点”算法提取得到裂纹离散边界,并采用最小二乘法将离散边界拟合为连续裂纹边界,实现裂纹形态的几何重构,最终自动计算得到裂纹长度和宽度的动态变化过程.该方法原理清晰、理论简单,易于实现.开展数值模拟和钢节点疲劳试验,对相关算法和图像采集参数进行了验证,结果表明本文方法对疲劳裂纹边界的数字化重构误差在0.5个像素内,基于重构结果计算得到的裂纹长度和宽度误差分别为0.46像素和0.08像素(类同于0.06 mm和0.01 mm),并成功实现了对疲劳试验裂纹扩展形态的精细化动态测量及可视化.研究成果证明了DIC技术用于疲劳裂纹全局动态测量及可视化的有效性,并在测量精度、效率、成本等方面具有显著优势,可在实验室测量和工程现场测试中推广应用.