基于高速數字圖像相關法的疲勞裂紋尖端位移應變場變化規律研究

高紅俐，劉歡，齊子誠，2，劉輝，鄭歡斌

（1.浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014；2.中國兵器科學研究院寧波分院，浙江寧波315103）

基于高速數字圖像相關法的疲勞裂紋尖端位移應變場變化規律研究

高紅俐1，劉歡1，齊子誠1，2，劉輝1，鄭歡斌1

（1.浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014；2.中國兵器科學研究院寧波分院，浙江寧波315103）

應用高速攝像數字圖像相關法研究了諧振式疲勞裂紋擴展試驗中緊湊拉伸（CT）試件在高頻正弦交變載荷作用下，裂紋穩態擴展階段裂紋尖端區域位移和應變場的變化規律。采用數字化高速攝影設備采集系列正弦交變載荷作用下CT試件數字散斑圖像，應用數字圖像相關（DIC）法計算每幅圖像裂紋尖端區域位移和應變場，對裂紋尖端區域特征點的位移、應變值采用最小二乘正弦擬合方法進行擬合，求出振幅、相位、平均載荷等特征量，將擬合出的應變或位移正弦曲線和所對應的系列散斑圖像進行匹配，找到一個應力循環內特征位置的圖像。使用動態高精度應變儀測量了CT試件在一個應力循環內裂紋尖端點應變值，試驗結果表明，DIC應變測量最大誤差為4.12%，驗證了所提出DIC測量方法的可行性。在此基礎上，進行了基于高速DIC方法的諧振式疲勞裂紋擴展試驗，研究了疲勞裂紋未擴展時裂紋尖端應變幅值和疲勞循環次數的關系及疲勞裂紋擴展到不同長度時裂紋尖端區域位移和應變場的變化規律。

儀器儀表技術；數字圖像相關；高速攝像；疲勞裂紋；位移場；應變場；高頻諧振載荷

0 引言

疲勞破壞是機械零部件和結構失效的最常見形式，研究表明，大量的斷裂都與疲勞裂紋的產生和擴展密切相關。由于目前尚不能完全通過有效的理論方法來研究其萌生、擴展和斷裂機理，因此采用特定材料進行疲勞裂紋擴展試驗，測量疲勞裂紋尖端的位移、應變場，并進一步研究其在疲勞裂紋擴展過程中的變化規律，是研究材料斷裂特性的關鍵，對提高機械產品的可靠性和使用壽命有著十分重要的意義［1-2］。

電磁諧振式疲勞裂紋擴展試驗系統［3-4］是基于共振原理用于測定金屬材料及其構件在高頻諧振載荷作用下疲勞特性的測試裝置，由于其具有工作頻率高、能量消耗低，試驗時間短，試驗波形好等優點被力學實驗室廣泛用來進行材料疲勞試驗。試驗中試件在高頻諧振載荷作用下高速振動，由于要考慮慣性效應和應力波傳播效應［5-7］的影響，使得裂紋尖端位移、應變場的計算問題變得非常復雜，目前尚沒有有效的理論方法來解決這一問題，據此，本文提出了基于數字圖像相關（DIC）和數字化高速攝像技術相結合的方法來測量這種情況下疲勞裂紋尖端的位移、應變場。

DIC法又叫數字散斑相關法［8-9］，是近年來發展起來的一種用于測量受力物體全局位移和應變場的非干涉、非接觸式精密光測力學方法，其基本原理是通過計算變形前后被測試件散斑表面兩幅數字圖像中的灰度信息，來跟蹤圖像中各點的位置變化，從而獲得被測物體表面位移場和應變場。和其他傳統全局光測力學方法如全息干涉法［10］、云紋干涉法［11］、激光散斑照相法等［12-13］相比較，它具有試驗設備簡單、環境要求低、測量精度高、測量分辨率和測量范圍方便調整、可以進行自動實時測量分析等優點，非常適合應用于材料疲勞裂紋擴展試驗。DIC自從20世紀90年代初進入我國，尤其是2006年至今，在材料試驗領域得到迅速的應用和發展。目前，靜態和準靜態材料試驗DIC已經比較成熟，采用高速攝像DIC進行瞬態沖擊試驗進年來也取得了一些成果［14-15］。瞬態沖擊試驗和材料疲勞試驗雖然同屬動態試驗，但前者試驗時間短，一般為幾秒到幾十秒，而后者試驗時間長，試驗載荷變化快，為研究試件在疲勞試驗中的位移、應變場的變化規律，還必須采集到試件在一個載荷周期特征位置如最大、最小、平均載荷處的散斑圖像，為解決這一問題，文獻［16-17］采用了頻閃照明的方法，通過控制載荷、CCD和頻閃光源嚴格同步來達到這一目的，但所介紹方法均應用在系統工作頻率為十幾赫茲的低頻疲勞試驗上，本文所研究的高頻諧振載荷作用下的試件變形的測量，其工作頻率一般為100多赫茲，這種情況下，控制載荷、CCD和頻閃光源嚴格同步幾乎是難以達到的。本文提出采用數字化高速攝影設備采集一小段時間內的系列正弦交變載荷作用下緊湊拉伸（CT）試件數字散斑圖像，采用DIC計算每幅圖像裂紋尖端區域位移、應變，應用數字擬合和圖像匹配方法得到特征位置的圖像，據此來研究裂紋尖端位移、應變幅場在裂紋擴展和不擴展時和載荷循環次數的關系，為進一步研究高頻諧振載荷作用下疲勞裂紋擴展機理和擴展參數的測量奠定了理論基礎。

1 高頻諧振載荷作用下疲勞裂紋尖端位移、應變場的測量

1.1 諧振式疲勞裂紋擴展試驗中試件散斑圖像的采集

試驗裝置如圖1所示，主要包括試驗載荷加載控制系統和DIC測量系統，其中試驗載荷加載控制系統主要由PLG-100電磁諧振式高頻疲勞試驗機、CT試件、載荷控制器組成，主要完成將設定的正弦交變載荷作用在CT試件上，并跟蹤裂紋擴展過程中系統固有頻率和控制試驗載荷的功能。高速DIC測量系統包括高速攝像機、光源、圖像采集控制器、載荷控制器及計算機。在圖像采集控制器的控制下，高速攝像機采集一系列疲勞裂紋擴展試驗中某一段時間內的試件數字散斑圖像并將其存儲在計算機里進行處理，圖2為所采集的帶有疲勞裂紋的CT試件數字散斑圖像。

圖1 系統試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

圖2 帶有疲勞裂紋的CT試件散斑圖像Fig.2 CT specimen speckle image with fatigue crack

所采用的PhantomV341高速攝像機是美國VRI公司生產的黑白CCD高速攝像機，內置數據采集卡，通過USB接口將所采集圖像傳輸到計算機內，PhantomV341的幀頻和所對應的圖像分辨率范圍分別為800～61 800幀/s及（256×84）～（2 560× 1 600）像素，能滿足本文CT標準試件裂紋尖端區域位移、應變場的測量要求。采用圖1所示試驗裝置進行了多種材料的標準CT試件的疲勞裂紋擴展試驗，試驗結果表明，在穩態裂紋擴展階段，系統的諧振頻率范圍在90～135 Hz左右。考慮到提取足夠有用信息和數據存儲空間及處理能力等方面因素，設置高速攝像機的幀頻為3 180幀/s，此時CCD所采集圖像的分辨率為1 280×720像素，在每一應力循環內可等間距采集23.6～35.3個左右試件散斑圖像，用來計算其位移、應變場，并擬合其正弦變化規律。眾所周知，即使是高頻諧振式疲勞裂紋擴展試驗，疲勞裂紋的擴展也是非常緩慢的，短時間內疲勞裂紋尺寸將會保持不變，因此在疲勞裂紋擴展不同階段可控制高速攝像機采集很短時間間隔內一系列數字散斑圖像，將其傳輸到計算機內存儲，進行下一步處理。

1.2 疲勞裂紋尖端位移、應變場的測量及諧振載荷作用下系列散斑圖像的匹配

首先，對所采集的系列正弦交變載荷作用下CT試件數字散斑圖像采用DIC計算每幅圖像裂紋尖端區域的位移和應變場，并對裂紋尖端區域特征點的位移和應變值采用最小二乘正弦擬合方法進行擬合，求出其正弦規律的變化曲線，求出振幅、相位、平均載荷等特征量，對擬合出的位移或應變正弦曲線及所對應的系列散斑圖像進行匹配，得到一個應力循環內近似最大載荷、最小載荷、平均載荷等位置的散斑圖像及其位移、應變值，為進一步疲勞裂紋擴展參數的測量及擴展斷裂機理的研究打下基礎。

1.2.1 基于DIC的疲勞裂紋尖端區域位移及應變場的測量

DIC測量原理如圖3所示:在圖3（a）中選取以待求點P（x0，y0）為中心點包含（2M+1）×（2M+ 1）像素點的參考子區，在圖3（b）中通過某一搜索算法，根據互相關函數或最小平方距離函數進行相關計算，通過搜索相關系數極值點，確定目標圖像子區在變形后圖像中的位置。由于在疲勞裂紋擴展試驗中，試件會產生平移、拉伸和剪切變形，可采用1階形函數來描述變形后圖像子區形狀，變形后目標圖像中點Q′（x′，y′）位置可表示為

式中:Δx和Δy為點Q（x，y）到參考圖像子區中心P（x0，y0）的距離；u和v是參考圖像子區中心點在x軸和y軸方向上的位移；ux、uy和vx、vy為圖像子區的位移梯度。本文相關函數選擇對照明光源的波動不敏感、誤差較小的零均值歸一化最小平方距離相關函數（ZNSSD）［18］:

式中:f（x，y）是參考圖像子區中坐標為（x，y）的像素的灰度；g（x′，y′）是目標圖像子區中對應坐標為（x′，y′）的像素灰度；fm和gm分別是參考圖像子區和目標圖像子區的灰度平均值。

圖3 數字圖像相關法原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of digital image correlation method

本文計算的是CT試件裂紋尖端區域的位移和應變場，屬于連續區域動態位移、應變場的測量問題，根據此特點采用Matlab平臺編寫了DIC位移、應變場計算程序。進行DIC運算時，選取在未加載時采集的圖像作為參考圖像，其余時刻高速攝像機所采集的試件振動中系列圖像都作為目標圖像。在參考圖像和目標圖像中選取裂紋尖端10 mm× 20 mm對稱于疲勞裂紋擴展水平線的同一矩形區域作為計算區域，設定搜索子區大小，選擇種子點［19］等參數后，對此區域的像素點進行相關搜索運算，搜索算法選擇經典的NR算法，種子點的選取盡可能尋找差異性比較大的點，從而得到更加準確的位移場。DIC計算出的位移場存在噪聲，首先對位移場進行平滑去噪后采用逐點最小二乘法進行應變場的計算，得到裂紋尖端位移場。

1.2.2 諧振載荷作用下系列試件散斑圖像的匹配

PLG-100諧振式疲勞試驗機為雙自由度線性振動系統，根據多自由度線性振動力學理論，在疲勞裂紋擴展試驗中，試件將進行同頻率的正弦振動，在裂紋穩態擴展階段，裂紋尖端區域在沒有發生塑性變形時任一點的位移和應變都為所施加載荷同頻率的正弦交變量，如圖4所示，圖中數據點為裂紋尖端點的DIC計算應變值，是材料為16MnR帶有12 mm疲勞裂紋的CT標準試件，在試驗載荷為Fmax= 15.2 kN（最大載荷），Fmin=8.8 kN（最小載荷），Fm=12 kN（平均載荷），f=125 Hz的正弦交變載荷作用下所產生的應變值。試驗中，按所述圖像采集方法采集了3250個散斑圖像，取前面500個計算裂紋尖端區域位移和應變場，取裂紋尖端點計算的應變值進行最小二乘正弦曲線擬合，求出其相位和振幅。首先計算出正弦應變的平均值Am，如圖4所示，500個數據采集點均在理想正弦信號相關數據點處上下波動，而且采樣點已足夠多，計算所有數據的平均值就可得到足夠精確的平均應變值，然后進行最小二乘正弦曲線數據擬合。設采用n個擬合點（Y（i），i）（i=1，2，3，…，n）進行正弦曲線擬合，為簡化運算過程，將所有采樣數據Y（i）減去Am后乘以102，設擬合函數為g（ti）= A（sin（ωti+φ）），A為振幅，ω為角頻率（已求出），φ為初始相位，定義誤差平方和函數為

圖4 DIC系列散斑圖像裂紋尖端應變曲線擬合Fig.4 Strain curve fitting of crack tip in DIC speckle images

根據最小二乘法的原理，有且僅有一組（A，φ）使得函數F最小，這一組（A，φ）就是擬合正弦函數的振幅A0和初始相位φ0，把函數F對振幅A和初始相位φ分別求偏導并令其偏導方程為0，得到如（5）式、（6）式所示方程。采用LabVIEW編程將得到如圖4所示擬合正弦曲線及振幅A0和初相位φ0: φ0=29.5°，A0=0.67×10-3.

1.2.3 一個應力循環內CT試件裂紋尖端位移、應變場

根據1.2.2節所述方法，一個應力循環內所采集的圖像已足夠多，因此可根據所述圖像匹配方法獲得一個應力循環內最大載荷、最小載荷、平均載荷等位置的散斑圖像。圖5、圖6為根據擬合正弦曲線和數據匹配結果提取出來的一個應力周期（8 ms）內0 ms、1 ms、2 ms、3 ms、4 ms、5 ms、6 ms、7 ms、8 ms時刻的裂紋尖端的y軸方向位移場和y軸方向正應變場云圖。從圖5位移場云圖可以很明顯看出，裂紋尖端區域y軸方向位移值從左向右逐漸減小，說明越靠近裂紋尖端，位移值越大，豎直方向裂紋尖端下部區域位移值大于上部區域，其原因為試件上圓孔為固定端，下圓孔作用有垂直向下的拉伸載荷。圖6中9個圖直觀地表現了在一個應力循環周期內，裂紋尖端區域應變場的變化，應變場中的最大應變值都在裂紋尖端處，這是因為裂紋尖端處是應力集中位置，應變場的形狀大抵相似，基本對稱于裂紋水平擴展線，裂紋尖端處應變值出現明顯的突變，達到最大值，并沿裂紋擴展方向逐漸減小。選取裂紋尖端像素點，對該點一個應力周期的DIC位移和應變計算值進行最小二乘擬合得到如圖7、圖8所示一個應力循環內裂紋尖端點位移、應變變化規律曲線，如前所述，其為正弦規律變化曲線，與施加的載荷具有相同的變化規律。在一個正弦載荷循環內，隨著載荷增加到波峰位置，裂紋尖端應力集中效應增強，應變場高應力區形狀逐漸變尖銳，隨后載荷逐漸減小到波谷位置，裂紋尖端應變場高應力區尖角消失，應力集中效應減弱。

圖5 一個循環周期內不同時刻y軸方向的位移場變化云圖Fig.5 The variation nephogram of displacement field in y direction at different times during a stress cycle

2 高速DIC測量系統實驗驗證

實驗中所采用試件，載荷參數、參考圖像和系列試件散斑圖像采集方法均如第1節所述。為驗證裂紋尖端處應變值的DIC測量結果，在CT試件表面貼上電阻應變片并進行疲勞裂紋擴展實驗，測量裂紋尖端點應變值。首先進行預制裂紋CT試件的疲勞裂紋擴展實驗，由裂紋尺寸在線測量系統實時測量疲勞裂紋擴展長度，當裂紋擴展至12 mm時停機，取下試件，在試件散斑表面的另一面粘帖電阻應變片，由于裂紋尖端存在三維效應及應變梯度，電阻應變片不能過于接近裂紋尖端，但為了保證裂紋尖端應變值的測量精度，電阻應變片也不能過于遠離裂紋尖端［20］，本文采用文獻［20］所介紹的方法進行裂紋尖端點應變值的測量，貼片方式如圖9所示，根據文獻［20］中所介紹方法應變片粘帖位置為:θ= 54.27°，r=12.5 mm，φ=68.01°然后按儀器要求組橋連線，為了測量CT試件裂紋尖端處隨時間變化的動態應變，實驗采用XL2102A型動態電阻應變儀，其工作頻率在DC～100 kHz，電磁諧振式高頻疲勞實驗系統的工作頻率為50～300 Hz，可見此儀器完全滿足實驗條件。采用動態電阻應變儀測得一個載荷周期內，裂紋尖端處的應變值，并與DIC法得出的應變值做比較，結果如表1所示。從表1可知，運用DIC法在計算CT試件裂紋尖端處應變時具有較高的精度，與貼應變實驗方法比較，計算結果相吻合，其中平均誤差2.82%，最大的誤差是4.12%，證明所提出的DIC測量方法和建立的高速DIC測量系統具有準確性和可行性。

圖6 一個循環周期內不同時刻y軸方向的正應變場變化云圖Fig.6 The variation nephogram of normal strain field in y direction at different times during a stress cycle

圖7 一個循環周期內裂紋尖端點位移變化曲線Fig.7 The displacement curve of crack tip point during a stress cycle

圖8 一個循環周期內裂紋尖端點應變變化曲線Fig.8 The strain curve of crack tip point during a stress cycle

圖9 應變片貼片圖Fig.9 The arrangement of strain gauges

表1 一個載荷周期內DIC法與應變法測得裂紋尖端處的應變值Tab.1 The comparison of DIC and experimental data during a stress cycle

3 疲勞裂紋未擴展時裂紋尖端應變幅值和疲勞循環次數的關系

在恒幅交變載荷疲勞裂紋擴展實驗中，當裂紋長度保持不變時，CT試件裂紋尖端應變幅值隨著循環次數的不斷增加而增大，應力集中效應不斷增強，當應變幅值增加到某一臨界值時裂紋向前擴展，裂紋尖端應力集中釋放，應變和應力降低，實驗繼續進行將重復這一過程。本節為研究此過程進行的疲勞裂紋擴展實驗所采用設備、載荷參數、試件、參考圖像和系列試件散斑圖像采集方法均如第1節中所述。首先，采集試件未加載時的圖像作為參考圖像，然后按所設定載荷參數進行疲勞裂紋擴展實驗，每隔300 s左右采集一次振動中的系列試件散斑圖像，計算裂紋尖端區域位移和應變場，根據散斑圖像的匹配和提取方法選取了不同循環周次下最大、最小載荷處的14對試件散斑圖像進行y軸方向位移、應變幅場（最大載荷和最小載荷位移、應變場之差）的計算，選取每幅應變幅場裂紋尖端點數據得到如圖10所示在不同載荷循環下裂紋尖端點應變幅值數據，從圖中可以看出，從3 537 500～3 800 000次，裂紋尖端點應變幅值隨著載荷循環周次的增加而緩慢增加，但當循環周次達到3 837 500次左右時，應變幅值快速增長，到4 025 000循環周次時，應變幅值達到最大，隨著疲勞循環次數的進一步增加，裂紋將向前擴展。圖11、圖12為疲勞循環周次為3 762 500～4 025 000次時，裂紋尖端區域y軸方向位移幅場和正應變幅場，從圖11、圖12中可以很明顯看出，隨著循環次數的增加，疲勞裂紋尖端區域前部下方位移值逐漸增大。裂紋尖端高應變區形狀逐漸變得尖銳，應力集中效應明顯，裂紋尖端應變值不斷增大，高應變區域不斷增大。

圖10 裂紋尖端像素點應變幅值與循環次數的關系曲線Fig.10 The relationship between the strain amplitude and the related fatigue cycles

圖11 在不同循環周次時裂紋尖端y軸方向位移幅場Fig.11 The displacement amplitude fields in y direction at crack tip during different stresses

4 裂紋擴展到不同長度時裂紋尖端位移、應變幅場的變化規律

為了研究不同裂紋長度時裂紋尖端位移、應變場的變化規律，實驗需實時觀察并準確測量裂紋長度，本文采用前后兩個CCD攝像頭，正面采用高速攝像機PhantomV341采集試件散斑圖像，試件背面裂紋長度的測量采用文獻［21］中介紹的方法。本節采用較易擴展的A3鋼CT試件為研究對象，實驗載荷參數為:Fmax=11.2 kN，Fmin=4.8 kN，Fm= 8.0 kN，在裂紋未擴展時，振動系統諧振頻率為126.4 Hz，在實驗過程中，頻率跟蹤和載荷控制系統跟蹤其不斷變化的固有頻率并控制實驗載荷。對高速攝像所采集的動態系列散斑圖像根據第1節所述方法進行計算、匹配及后續處理得到該裂紋長度下裂紋尖端計算區域位移和應變幅場，為保證實驗結果的準確性，動態系列試件散斑圖像的采集均為裂紋在線測量系統監測到裂紋擴展到這一長度的一瞬間。

圖12 在不同循環周次時裂紋尖端y軸方向正應變幅場Fig.12 The normal strain amplitude fields in y direction at the crack tip during different stress cycles

對所采集的試件散斑圖像選取裂紋尖端對稱于疲勞裂紋擴展水平線10 mm×20 mm矩形區域作為計算區域，通過DIC計算及后續處理，得到該裂紋長度下計算區域位移和應變幅場，圖13、圖14所示為裂紋從5 mm擴展到14 mm時裂紋尖端區域y軸方向的位移幅場和正應變幅場，選取每幅位移、應變幅場裂紋尖端點數據得到在不同裂紋長度下裂紋尖端點位移、應變幅值的變化規律如圖15、圖16所示，從圖中可以看出，裂紋尖端點位移幅值隨著裂紋長度的增加而增大，而位于裂紋尖端點的最大應變幅值也隨著裂紋長度的增加逐漸增大，其中裂紋擴展從0～10 mm階段裂紋增長較為緩慢，應變幅值穩定，當裂紋擴展到10 mm左右時，擴展速率迅速上升，應變幅值增幅顯著。測量結果表明，疲勞裂紋長度越大，裂紋尖端區域的應變場高應變區域越大，裂紋尖端應變值越大，裂紋擴展的速率也就越快。

圖13 不同裂紋長度時裂紋尖端y軸方向位移幅場Fig.13 The displacement amplitude fields in y direction at the crack tips of cracks with different lengths

圖14 不同裂紋長度時裂紋尖端y軸方向正應變幅場Fig.14 The normal strain amplitude field in y direction at the crack tips of cracks with different lengths

圖15 裂紋尖端像素點y軸方向位移幅值與裂紋長度的關系曲線Fig.15 The relationship between the displacement amplitude in y direction at crack tip point and the related crack length

圖16 裂紋尖端像素點y軸方向正應變幅值與裂紋長度的關系曲線Fig.16 The relationship between the strain amplitude in y direction at crack tip point and the related crack length

5 結論

本文對標準CT試件進行了高頻諧振式疲勞裂紋擴展實驗，采用數字化高速攝影設備采集了一系列正弦交變載荷作用下CT試件數字散斑圖像，通過所編寫的DIC位移、應變場程序測量了裂紋尖端區域位移和應變場，提出了基于最小二乘正弦擬合的系列散斑圖像匹配算法，并通過在CT試件上貼應變片的實驗方法驗證了所提出方法和建立的系統是準確的和可行的。在此基礎上，研究了同一裂紋長度時在不同疲勞循環次數下疲勞裂紋尖端位移、應變幅場和疲勞裂紋擴展到不同長度時下裂紋尖端區域的位移和應變幅場的變化規律。得到以下結論:

1）在穩態擴展階段，裂紋尖端區域在沒有發生塑性變形時任一點的位移和應變都為所施加載荷同頻率的正弦變量。

2）若裂紋長度保持不變，疲勞循環次數低于某一臨界值時，裂紋尖端區域應變幅值發生微小變化，當達到某一臨界循環次數后，裂紋尖端應變幅值迅速增加，裂紋開始向前擴展。

3）CT試件在穩態裂紋擴展階段，裂紋長度值越大，裂紋尖端區域的應變幅值越大、應變場的高應變區域越大，裂紋擴展速率越快。

4）基于高速數字圖像相關法的疲勞裂紋擴展實驗解決了傳統疲勞裂紋擴展實驗不能從材料微觀和宏觀變形的全局角度來揭示疲勞裂紋起裂、擴展、斷裂的演化過程和機理的問題，本文研究成果為基于高速DIC的材料疲勞裂紋擴展實驗技術的應用、為進一步研究高頻諧振載荷作用下疲勞裂紋擴展機理和擴展參數的測量奠定了理論和實驗基礎，具有一定的理論和應用價值。

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Research on Variation Law of Fatigue Crack-tip Displacement and Strain Fields Based on High-speed Digital Image Correlation Method

GAO Hong-li1，LIU Huan1，QI Zi-cheng1，2，LIU Hui1，ZHENG Huan-bin1
（1.Key Laboratory of E&M of Ministry of Education and Zhejiang Province，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，Zhejiang，China；2.The Ningbo Branch，Ordnance Science Institute of China，Ningbo 315103，Zhejiang，China）

In order to research the variation laws of displacement and strain fields on the fatigue crack tip area of the compact tension（CT）specimen in the stage of steady crack propagation under high frequency sinusoidal alternating load，a method based on the digital image correlation（DIC）and digital high-speed photography technology is proposed.A series of digital speckle images of CT specimen under sinusoidal alternating load are collected by digital high-speed photographic equipment，and the displacement and strain fields on the crack tip in each image are calculated by DIC.The sinusoidal changing strain curve of the feature point on the fatigue crack tip area is obtained by the least square sine wave fitting method，and the characteristic parameters of sinusoidal strain，such as amplitude，frequency，phase and meanload，are calculated.The images of characteristic position in a stress cycle are obtained by comparing the fitted sine curve of strain with the corresponding speckle images.Then the strain values at the tip of CT specimen during one stress cycle are measured by dynamic strain gauge.The results show that the maximum measurement error of strain by DIC method is 4.12%.On this basis，the resonant fatigue crack propagation test is carried out based on the high-speed photography and digital image correlation method，the relationship between strain amplitude values at crack tip and fatigue cycle number before the fatigue crack extension，and the variation laws of displacement and strain fields on crack tip area with the different lengths of fatigue crack are studied.

apparatus and intruments technology；digital image correlation；high-speed photography；fatigue crack；displacement field；strain field；high frequency resonant loading

TP394.1；TH691.9

A

1000-1093（2015）09-1772-10

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.09.024

2014-12-29

浙江省分析測試科技計劃項目（2014C37082）；寧波市自然科學基金項目（2014A610060）

高紅俐（1968—），女，副教授。E-mail:ghl_zjut@126.com