基于DIC的超声疲劳试样应变测量和校准方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于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，本发明提供了一种基于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`/σ<sup>0</sup>确定应力校核系数λ，其中，σ<sup>0</sup>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，通过本发明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.本发明的方法，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，本发明的方法更科学、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。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种超声疲劳试验试样振动位移和应力分布示意图；

图2是本发明实施例提供的一种影响超声疲劳试验试样应力应变因素；

图3是本发明实施例提供的一种超声疲劳沙漏形试样；

图4是本发明实施例提供的一种超声疲劳狗骨形试样；

图5本发明实施例提供的一种超声疲劳板状试样；

图6是本发明实施例提供的一种基于dic的超声疲劳试样应变测量和校准方法的流程示意图；

图7是本发明实施例提供的一种涂上散斑的沙漏形试样；

图8是本发明实施例提供的一种聚焦后拍摄到的试样中间部位；

图9是本发明实施例提供的一种取试样正中间矩形部位分析计算示意图，虚线框为计算区间，实线框为应变取值区域；

图10是本发明实施例提供的一种根据dic计算的应变曲线；

图11是本发明实施例提供的一种基于dic得到的应变数据频谱分析结果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种不受试样形状和尺寸限制的应变测量和校准方法，利用dic方法，通过超高速相机拍摄得到试样在目标超声频率(如2.0×10⁴hz)振动过程中若干周期内的照片，再根据图形处理软件计算出拍摄周期内的应变数据，对应变数据进行傅里叶变换得到应变数据的频谱图，即可得到谐振频率和应变幅值。由于超声疲劳试验应变很小，属于弹性变形。因此，可以由胡克定律计算得到对应的应力幅值。将计算得到的应力幅值与设定值进行对比，判断两者是否一致。如果不一致，按照两者的比值将设定应力值校准成实际应力值，或者对预设应力幅值进行修约。具体地，如图6所示是本发明实施例提供的一种基于dic的超声疲劳试样应变测量和校准方法的流程示意图，包括以下步骤：

s1：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；

s2：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；

s3：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；

s4：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。

其中，超声疲劳试样的谐振频率为2.0×10⁴hz。uhs-12超高速数字摄像机，最高拍摄速率可达1.0×10⁶帧/秒。拍摄时，选择拍摄速率为2.0×10⁵hz，在试样的一个振动周期内，可以拍摄到10张照片。利用dic图形处理软件对拍摄的照片进行图片对比分析，可以计算得到每张照片中试样中间部位的位移和应变。

在本发明实施例中，目标试样的形状，大小，谐振频率，拍摄速率和拍摄照片数量等还可以为其它值，本发明实施例不做唯一性限定。

对于加工好的同一批试样，一般其加工尺寸都非常接近，并且材料的弹性模量和密度都相等，因此，只需取1件进行应变测量即可。

在本发明实施例中，步骤s1可以通过以下方式实现：

s1.1：取一件目标试样，采用亚光白油漆喷在试样表面，等油漆干了之后，用黑色彩笔在试样表面涂上均匀大小的黑点，如图7所示的沙漏形试样；

s1.2：将喷好漆的目标试样安装到超声疲劳试验机，在超声疲劳试验机系统控制软件上设置好试样尺寸、材料弹性模量、密度和应力幅值σ⁰等参数；

s1.3：用高速相机正对准试样中间部位，打开高速摄影机，观察实时图像，调节相机高低、角度，保证试样居中；调节镜头的焦距及光圈，保证高速相机图像清晰，亮度均匀，如图8所示的沙漏形试样。此时试样未加载，拍摄一张照片作为第一张基准照片；

s1.4：设置高速相机的采集速率和采集时间；

s1.5：打开空压机后，为了消除空压机振动的影响，等待若干分钟左右的时间后，超声疲劳设备处于稳定的空冷状态后，空压机开始停歇。此时让试样起振，并开始连续拍照；

s1.6：拍照结束后，利用dic图形分析处理软件对比分析计算每张照片试样与基准照片之间的正中间位置的位移和应变，将计算得到的应变数据导出，再将导出的应变数据通过傅里叶变换生成频谱图，从频谱图可以得到谐振频率和应变幅值ε`。

在本发明实施例中，由于超声疲劳试验应变很小，属于弹性变形。因此，可以由胡克定律计算得到对应的应力幅值。即测得的应力幅值σ`＝ε`×ed，ed为材料的动态弹性模量。

在本发明实施例中，步骤s3可以通过以下方式实现：

将σ`与σ<sup>0</sup>进行对比，若σ`和σ⁰非常接近，说明应力准确，无需校核。若σ`和σ<sup>0</sup>存在差异，取应力校核系数为λ＝σ`/σ⁰。

在本发明实施例中，步骤s4可以通过以下方式实现：

根据λ对已经完成测试的试样的应力幅值σ1，σ2，σ3，σ4……进行校核，校核后的应力值为σi`＝σi×λ，i＝1,2,3,4……n,n为已完成测试的试样件数；

或者根据λ对还未测试试样的预设应力幅值σ1，σ2，σ3，σ4……进行修约，修约后的应力值为σi”＝σi/λ，i＝1,2,3,4……m,m为该组试样的件数。

具体实施例一

以沙漏形试样为例：

1.对一种沙漏形tc17钛合金超声疲劳试样，其材料的动态弹性模量为115.8gpa，密度为4680kg/m³。取其中一件，采用亚光白油漆喷在试样表面，等油漆干了之后，用黑色彩笔在试样表面涂上均匀大小的黑点。

2.将喷好漆的试样安装到超声疲劳试验机上，用高速相机正对准试样中间部位，打开高速摄影机，观察实时图像，调节相机高低、角度，保证试样居中；调节镜头的焦距及光圈，直至高速相机图像清晰，亮度均匀后，拍摄一张照片作为初始照片。

3.在超声疲劳试验机系统控制软件上输入试样设计尺寸、材料弹性模量、密度等参数，由于tc17钛合金超声疲劳试验时发热量极小，因此将间歇设置成不间歇。最后设定应力幅值400mpa。

4.设置高速摄影机1秒200000帧的拍照速率，此时分辨率为256pixel*256pixel，设置拍摄时间为0.005秒，即共计拍摄1000张照片。

5.打开空压机后，等待2分钟左右的时间后，超声疲劳设备处于稳定的空冷状态后，空压机开始停歇。此时点击控制软件上的“teststart”让试样起振，并开始拍照。

6.拍照完毕后，将采集的图像导入dic图形分析处理软件中。如图9所示，根据试样正中间矩形部位的位移计算虚线框内的应变云图，将实线框内的应变数据导出，其中一段应变数据曲线如图10所示。由图10可以看出，采集到的应变曲线呈现出规律的交变正弦波特征，与理论吻合。

7.对1000个应变数据通过傅里叶变换进行频谱分析，得到频谱图如图11所示，由图11可以看出谐振频率为2.00×10⁴hz，应变幅值为3.47×10^-3。

8.由胡克定律计算得到对应的应力幅值σ`＝3.47×10^-3×115.8gpa＝402mpa。

9.计算应力校核系数为λ＝402mpa/400mpa＝1.005。

10.最后通过技术方案中的方法对应力幅值进行校核和修约。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。