基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法，属于金属材料超声疲劳性能测试领域，获取目标试样在目标超声频率振动过程中的若干周期内的照片；利用DIC方法，根据拍摄照片得到目标试样的应变数据，获取应变数据的频谱图，从而得到目标试样的谐振频率和应变幅值；由胡克定律得到目标试样的应力幅值，若应力幅值与预设应力幅值之间的差值不在预设范围内，则按照应力幅值与预设应力幅值之间的比值将预设应力幅值校准成实际应力幅值，或者按照应力幅值与预设应力幅值之间的比值对预设应力幅值进行修约。本发明专利技术直接通过测试超声疲劳试样的应变来验证试样的应力幅值是否准确，并对应力幅值进行校核，更加科学、更准确。

【技术实现步骤摘要】
基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法
本专利技术属于金属材料超声疲劳性能测试领域，更具体地，涉及一种超声疲劳试验过程中试样的应变测试和校准方法。
技术介绍
随着现代工业的发展，一些应用在关键零部件上的高强度钢，或受高频载荷作用的结构用钢，例如桥索钢、高铁重轨用钢、航空航天叶片用钢等，其实际使用寿命要求高达108～1010周次。大量的试验结果和工程案例已经证实许多工程用钢及合金材料结构在107次应力循环后仍会发生疲劳断裂，传统的以107为极限的疲劳强度评价方法已不在适用。超声疲劳试验是一种测试材料疲劳性能的新技术，超声疲劳试验的工作频率可以达到2.0×104Hz，测试一根寿命为109的试样，超声疲劳试验仅需一天左右即可完成。超声疲劳试验技术是研究高强金属材料超高周疲劳性能最有效的手段。超声疲劳试验过程中，换能器、位移放大器和试样组成一个力学振动系统，试样的一端固定在放大器末端，另一端自由。换能器将超声发生器产生的高频电信号转化成机械振动，再由位移放大器进行放大，使试样获得所需的振动位移。而换能器电压与输出端的振动位移幅值为线性关系，在给定试样端部位移幅值后，超声疲劳试验机通过改变换能器的电压来调整位移幅值。超声疲劳试验是以外加信号激励试件发生谐振，在试件中生成谐振波，沿试件长度方向建立纵向位移、应力-应变场，从而实现加载，试验系统受力情况如图1所示。常规疲劳由于频率较低，试验过程中光滑试样应力的理论值直接按照准静态拉伸来计算，即用外加载荷除以试样的最小横截面。而应变测量通常采用引申计或动态应变仪进行测量。与常规疲劳不同的是，超声疲劳试验由于频率极高，并且试验系统采用的是位移控制模式，其应力幅值理论值通过对位移幅函数求导得到，而位移幅函数则是根据试样谐振时的纵向波动方程求解得到。因此，超声疲劳试样的应力幅值与试样尺寸、弹性模量、密度、振动频率、自由端部位移等参数相关，如图2所示。试验过程中，试样尺寸、材料弹性模量、密度、系统谐振频率、自由端部振动位移这些参数的理论值都可能与实际值存在偏差，例如试样的实际尺寸因为加工的原因，很难与实际设计尺寸完全一致。这些偏差都将导致试样的实际应力幅值与设定值不同，从而导致超高周疲劳测试结果不准确。因此，尽管超声疲劳试验系统为位移控制，仅对超声疲劳试样振动位移进行校准是不够的。需要直接对超声疲劳试样的应力应变进行测量和校准来保证超声疲劳试验的准确性。沙漏形试样、狗骨形试样和板状试样是三种最为常见的超声疲劳试样，如图3中的超声疲劳沙漏形试样，图4中的超声疲劳狗骨形试样，图5中的超声疲劳板状试样所示，其中沙漏形试样用的最多，70％以上的超声疲劳试验都采用的沙漏形试样。超声疲劳试样一般很小，无法通过引申计测量应变。部分狗骨形试样和板状试样的应变可以通过高速应变仪采集得到，而沙漏形和缺口形等形状试样因为试样形状的限制无法粘贴应变片，因此无法采用高速应变仪测得其2.0×104Hz下的动态应变。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提出了一种基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法，可以不受试样形状和尺寸限制，进行应变测量和校准。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法，包括：获取目标试样在目标超声频率振动过程中的若干周期内的照片；利用DIC方法，根据获取的拍摄周期内的照片得到目标试样的应变数据，对应变数据进行傅里叶变换得到应变数据的频谱图，从而得到目标试样的谐振频率和应变幅值；由胡克定律根据目标试样的应变幅值计算得到目标试样的应力幅值，将目标试样的应力幅值与预设应力幅值进行对比，判断两者之间的差值是否在预设范围内；若目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的差值不在预设范围内，则按照目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的比值将预设应力幅值校准成实际应力幅值，或者按照目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的比值对预设应力幅值进行修约。在一些可选的实施方案中，所述获取目标试样在目标超声频率振动过程中的若干周期内的照片，包括：对目标试样表面进行喷漆，待油漆干后，在目标试样表面涂上均匀大小的黑点得到处理后的目标试样；对处理后的目标试样基于预设应力幅值进行超声疲劳试验，在处理后的目标试样未加载时，通过超高速相机拍摄处理后的目标试样中间部位图像作为基准照片；在超声疲劳设备处于稳定的空冷状态后，让处理后的目标试样起振，并通过超高速相机开始连续拍摄处理后的目标试样中间部位图像。在一些可选的实施方案中，所述利用DIC方法，根据获取的拍摄周期内的照片得到目标试样的应变数据，对应变数据进行傅里叶变换得到应变数据的频谱图，从而得到目标试样的谐振频率和应变幅值，包括：利用DIC方法，对比分析起振后的每张中间部位图像与基准照片得到目标试样正中间位置的位移和应变，将计算得到的应变数据通过傅里叶变换变换生成频谱图，从频谱图可以得到谐振频率和应变幅值。在一些可选的实施方案中，所述按照目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的比值将预设应力幅值校准成实际应力幅值，包括：由λ＝σ`/σ0确定应力校核系数λ，其中，σ0为预设应力幅值，σ`为目标试样的应力幅值；将已经完成测试的目标试样的预设应力幅值与λ相乘得到校核后的预设应力幅值。在一些可选的实施方案中，所述按照目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的比值对预设应力幅值进行修约，包括：将还未测试目标试样的预设应力幅值与λ相除得到校核后的还未测试目标试样的预设应力幅值。在一些可选的实施方案中，若目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的差值在预设范围内，则无需校核。在一些可选的实施方案中，超声疲劳试样的谐振频率为2.0×104Hz，超高速相机最高拍摄速率可达1.0×106帧/秒。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1.本专利技术的方法，直接通过测试超声疲劳试样的应变来验证试样的应力幅值是否准确，并对应力幅值进行校核，相比以往的位移检定方法，本专利技术的方法更科学、更准确。2.由于超声疲劳试验应变很小，属于弹性变形，整个系统可以认为是线性系统，因此，如果测得的应力值与设定值存在偏差，可以直接通过两者的比值来校准应力值，无需通过尺寸和材料密度等参数存在偏差时的应力修正公式来修正应力幅值。3.通过傅里叶变换对大量的应变数据进行频谱分析，除了得到了应变幅值之外，还可以得到谐振频率值，并且可以滤掉2.0×104Hz以外模态的噪音数据的影响，得到的应变幅值更准确。4.该方法不受试样形状和尺寸的限制，适用于沙漏形和缺口试样这些表面不平整、不便于粘贴应变片的试样，并且可以得到拍摄区域内的试样表面全场应变。5.该方法解决了超声疲劳试验应变测量和应力校核这一问题，直接通过对超声疲劳试样应变的测量、校核来保证超声疲劳试验结果的准确性和可靠性，对超声疲劳国家标准的制定和超声疲劳试验技术的推广意义重大。<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法，其特征在于，包括：/n获取目标试样在目标超声频率振动过程中的若干周期内的照片；/n利用DIC方法，根据获取的拍摄周期内的照片得到目标试样的应变数据，对应变数据进行傅里叶变换得到应变数据的频谱图，从而得到目标试样的谐振频率和应变幅值；/n由胡克定律根据目标试样的应变幅值计算得到目标试样的应力幅值，将目标试样的应力幅值与预设应力幅值进行对比，判断两者之间的差值是否在预设范围内；/n若目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的差值不在预设范围内，则按照目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的比值将预设应力幅值校准成实际应力幅值，或者按照目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的比值对预设应力幅值进行修约。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法，其特征在于，包括：
获取目标试样在目标超声频率振动过程中的若干周期内的照片；
利用DIC方法，根据获取的拍摄周期内的照片得到目标试样的应变数据，对应变数据进行傅里叶变换得到应变数据的频谱图，从而得到目标试样的谐振频率和应变幅值；
由胡克定律根据目标试样的应变幅值计算得到目标试样的应力幅值，将目标试样的应力幅值与预设应力幅值进行对比，判断两者之间的差值是否在预设范围内；
若目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的差值不在预设范围内，则按照目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的比值将预设应力幅值校准成实际应力幅值，或者按照目标试样的应力幅值与预设应力幅值之间的比值对预设应力幅值进行修约。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取目标试样在目标超声频率振动过程中的若干周期内的照片，包括：
对目标试样表面进行喷漆，待油漆干后，在目标试样表面涂上均匀大小的黑点得到处理后的目标试样；
对处理后的目标试样基于预设应力幅值进行超声疲劳试验，在处理后的目标试样未加载时，通过超高速相机拍摄处理后的目标试样中间部位图像作为基准照片；
在超声疲劳设备处于稳定的空冷状态后，让处理后的目标试样起振，并通过超高速相机开始连续拍摄处理后的目标试样中间部位图像。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭文杰，刘渊媛，魏星，祝洪川，曾永龙，
申请(专利权)人：武汉钢铁有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42