结构脆断过程裂纹近场应变的测量方法研究

摘要

在车辆工程领域中轻量化设计的理念贯穿设计过程始终，而断裂问题是结构失效的主要形式之一，也是结构设计所需的主要边界条件之一。目前，在断裂力学与实验力学研究领域中对裂纹扩展行为和近场应变测量的研究仍未完全交汇，在断裂力学中多种经验公式和参数被提出用于估计裂纹状态；在实验力学的电测法难以达到裂纹近场应变分析的分辨率要求，同时操作繁杂、可行性差，激光干涉法对测量环境要求高、系统复杂。数字图像相关法是一种以数字图像处理技术为基础的现代光测力学技术，属于实验力学的前沿范畴；具有非接触式、自然光源、系统简单和全场变形测量等诸多优点，正在材料疲劳性能分析、复合材料性能分析、高温形变分析、形状记忆合金变形等领域得到广泛的研究与应用。
　　本文以一种非接触光测力学方法，即数字图像相关法，开展了对裂纹近场应变测量的研究工作，主要内容包括：
　　(1)分析了基于子区和基于有限元两种数字图像相关法的内在区别与联系，指出二者联系在于描述变形的方式相同，二者区别在于选取了形函数中不同的迭代变量；
　　(2)进行了数字图像相关法测量系统误差的研究与分析，主要影响因素有散斑质量、算法、环境和相机噪声。在小变形情况下的系统误差由环境和相机噪声主导，静态位移跟踪精度可达到0.01～0.02像素，在非均匀大变形梯度情况下算法误差迅速增加；
　　(3)提出了一种基于局部子区非均匀变形梯度强度的位移场误差修正和应变场子区动态选择方法，仿真结果表明在非均匀变形情况下，算法误差得到明显抑制；
　　(4)仿真过程模拟生成Ⅰ型、Ⅱ型裂纹及其混合型裂纹散斑图进行裂纹近场变形求解，实验通过MTS设备完成C型紧凑静拉伸实验呈现结构脆断过程；仿真和实验验证分析结果表明数字图像相关法在裂纹近场应变测量中的可行性和有效性。
　　综上内容，本文分析了数字图像相关法测量系统误差及成分；通过算法改进，显著提升了非均匀变形的测量精度；探究了数字图像相关法测量裂纹近场应变的应用效果，对裂纹扩展及断裂力学研究提供了试验测量参考。

目录

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2研究发展与现状

1.3本文主要研究内容

第二章 裂纹近场应变测量的理论基础

2.1线弹性断裂力学下的裂纹近场模型

2.2数字图像相关法的测量系统

2.3数字图像相关法的理论基础

2.4数字图像相关法的应变计算方法

2.5本章小结

第三章 数字图像相关法测量精度分析与算法改进

3.1散斑图像质量对测量精度影响分析

3.2环境和相机噪声等对测量精度影响分析

3.3 一种位移场计算中的动态子区选择方法

3.4 一种基于局部子区非均匀变形梯度强度的位移场修正

3.5 一种应变场计算中的动态子区选择方法

3.6 一种基于亚像素位移的非均匀位移场修正

3.7大转角小变形情况下的刚体位移消除与应变计算

3.8本章小结

第四章 裂纹近场应变测量的仿真与实验

4.1扩展有限元的应用

4.2裂纹近场应变测量仿真与分析

4.3裂纹近场应变的实验测量

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文