金属结构的裂纹评估技术是机械故障诊断学需要研究的重要问题之一,主要可分为实时裂纹评估和疲劳裂纹评估两个方向,疲劳裂纹评估系统在工程上的应用案例有很多,却鲜有实时裂纹评估系统的工程应用案例。事实上,裂纹实时评估的断裂力学理论依据已经较为成熟,主要为包括K准则、J积分以及裂纹尖端张开位移等断裂准则,然而,不管采用何种理论基础,限制其应用的难点都在于无法准确的获取裂纹实时评估所需要的裂纹全场变形数据。数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)方法是目前应用最为广泛的高效全场变形测量方法,主要用于测量连续表面的全场变形,对位移的测量精度已经达到了0.001-0.01像素级别,能够满足大部分的工程测量需求。但是,受限于DIC方法的底层逻辑,其在裂纹等非连续表面附近将会失效,在一定程度上限制了DIC方法在断裂力学领域的应用。目前,已经有少量的研究在尝试改进DIC方法并将其应用于对裂纹实时参数的计算中,效果不甚理想,通常都存在计算精度不足或者计算效率低下等方面的缺陷,主要原因在于没有从根本上解决裂纹引起的像素区域不连续问题。本文工作以实现对金属结构裂纹的实时监测和评估为目标,通过对传统DIC方法加以改进和创新,提出了一种高精度高效率的非连续数字图像相关(Discontinuous Digital Image Correlation,DDIC)方法。重点研究DDIC方法在裂纹近场变形测量中的实现技术以及计算精度和计算效率的提高方法,实现了对裂纹全场变形以及裂纹形态的高精度、高效率重构,并由DDIC重构结果,实现对当前裂纹的断裂可能性进行评估。本文的主要研究内容和取得的创新成果如下:1、简单介绍了三个常用的断裂准则以及它们之间的相互联系;根据裂纹J积分的特性,推导了利用离散化的矩形路径求解裂纹J积分的等效计算公式;根据裂纹CTOD(Crack Tip Open Displacement,CTOD)的几何特性,提出了一种新颖的四点位移向量求CTOD值的方法。2、对经典DIC方法的基本原理和关键技术进行了系统性的总结回顾,并针对子区中像素点在变形前后的位置变化进行了深入讨论,指出了经典DIC方法在裂纹评估中应用的局限性和可行性,并采用该方法近似计算了裂纹的J积分。3、从散斑图像质量、插值以及匹配算法三个方面详细研究了各自可能引起的DIC方法位移重构误差级别和影响趋势并提出奇异点修正方法,分析了反向算法和灰度插值中的不变量并建立了不变量查找表,采用混合多种子多线程并行扩散的方法,在子区尺寸自适应方法和序列图像数据传递方法的辅助下,实现了高达3.5×10～5点/s的单次计算速度以及8.7×10～5点/s的超高序列图像计算速度。4、研究了被裂纹分割的子区中像素点的位移规律,提出了采用平行裂纹近似模型来描述小张角裂纹的,采用子区旋转拼合模型来描述任意裂纹,对裂纹模型的重构关键技术进行了深入研究,提出了高精度高效率的DDIC方法,并采用实验手段进行验证,结果表明所提出的DDIC方法能够实现对平面裂纹模型的精确重构和裂纹开裂趋势的实时评估,对裂纹区域的位移重构误差在0.05像素以内,而对裂纹尖端张开位移以及J积分的计算误差则分别为1.1%和3.5%。5、研究了相机成像时图像中的像素点与空间点的转换关系,深入分析了相机光轴偏转引起的成像误差,介绍了通用三维DIC方法的实现原理,指出通用方法计算效率低下的缺陷,在平面假设的前提下建立了一种高效的三维DDIC方法,并成功的将其应用于对空间裂纹的实时模型重构和断裂评估工作中。
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