一種裂紋識(shí)別方法的研究及試驗(yàn)驗(yàn)證

張文東 卓軼 董登科 陳先民

摘要：本文基于數(shù)字圖像相關(guān)法研究了裂紋識(shí)別技術(shù)。首先介紹了基于位移場(chǎng)的裂紋識(shí)別算法的基本原理，建立了對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代優(yōu)化的粗細(xì)搜索法，然后在模擬位移場(chǎng)數(shù)據(jù)上添加不同強(qiáng)度的噪聲來(lái)驗(yàn)證該算法的魯棒性，接著設(shè)計(jì)了CCT試件并進(jìn)行了裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，在整個(gè)裂紋擴(kuò)展過(guò)程中利用裂紋識(shí)別技術(shù)對(duì)裂紋進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到了裂紋長(zhǎng)度和應(yīng)力強(qiáng)度因子。結(jié)果表明，裂紋識(shí)別技術(shù)受噪聲的影響很小，能夠準(zhǔn)確獲得裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的裂紋信息。該研究對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限試驗(yàn)中的裂紋自動(dòng)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)具有較高的指導(dǎo)價(jià)值和參考意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像相關(guān)法；位移場(chǎng)；粗細(xì)搜索法；裂紋識(shí)別；試驗(yàn)驗(yàn)證；應(yīng)力強(qiáng)度因子

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.05.011

基金項(xiàng)目：航空科學(xué)基金（20170923001）

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中大量的薄壁結(jié)構(gòu)在頻繁起降過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展會(huì)降低機(jī)體結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度，從而引發(fā)災(zāi)難性后果。在飛機(jī)的研制過(guò)程中，對(duì)機(jī)體結(jié)構(gòu)的損傷容限性能非常重視[1，2]。在結(jié)構(gòu)損傷容限性能的研究中，裂紋測(cè)量的準(zhǔn)確性關(guān)系到損傷容限性能的定量描述，是一項(xiàng)重要的試驗(yàn)任務(wù)，因此如何確保裂紋準(zhǔn)確可靠地測(cè)量始終是試驗(yàn)過(guò)程中重要的一步。目前常規(guī)的裂紋測(cè)量手段受限于自身的特點(diǎn)，在測(cè)量精度或自動(dòng)化水平上都存在明顯的不足[3]，如目視法受人為因素干擾大、無(wú)損檢測(cè)法較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。

隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)裂紋進(jìn)行測(cè)量是一種新的思路，采用Sobel、Prewitt&Robert等邊緣檢測(cè)算法通過(guò)直接獲取裂紋形態(tài)特征，進(jìn)而獲得裂紋的幾何信息。這種思路所需要的邊緣檢測(cè)算法成熟，結(jié)果直觀(guān)，缺點(diǎn)是受限于圖像分辨率對(duì)裂紋尖端識(shí)別不準(zhǔn)確，得到的僅僅是裂紋的幾何參數(shù)，信息不全面。另一種思路是采用裂尖近域的位移場(chǎng)[3]來(lái)獲得裂紋信息，這種思路能夠獲得裂紋的力學(xué)參數(shù)測(cè)量結(jié)果，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了研究。Yoneyama等[4]采用非線(xiàn)性最小二乘法對(duì)William位移場(chǎng)表達(dá)式建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究；這種基于梯度的優(yōu)化方法的收斂性對(duì)初始值估計(jì)非常敏感，結(jié)果可能收斂于局部最優(yōu)解，為了得到全局最優(yōu)解，Pacey等[5]將單純形法和遺傳算法綜合運(yùn)用以求解光彈應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù)的裂紋尖端位置和對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子；Lopez-Crespo等[6]采用遺傳算法對(duì)裂紋周?chē)灰茍?chǎng)數(shù)據(jù)分析確定了裂尖位置，位移場(chǎng)表達(dá)式采用了Muskhelishvili表達(dá)式導(dǎo)致分析效率低。M. Zanganeh等[7]通過(guò)模擬位移場(chǎng)和試驗(yàn)位移場(chǎng)研究Matlab優(yōu)化工具箱中5種優(yōu)化算法在確定裂尖位置問(wèn)題上的收斂性、準(zhǔn)確性和效率。張文東等[8]研究了基于位移場(chǎng)的裂紋尖端識(shí)別算法，該算法能夠準(zhǔn)確快速地獲得裂尖位置。

本文首先介紹了裂紋識(shí)別算法的基本原理，然后在模擬位移場(chǎng)數(shù)據(jù)上添加不同程度的噪聲來(lái)驗(yàn)證該算法的魯棒性，接著設(shè)計(jì)了裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)法獲得的位移場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)該算法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明裂紋識(shí)別算法受噪聲的影響很小，能夠準(zhǔn)確獲得實(shí)際裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)的裂紋信息。該研究對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)損傷容限試驗(yàn)中的裂紋自動(dòng)化測(cè)量的實(shí)現(xiàn)具有較高的指導(dǎo)價(jià)值和參考意義。

1裂紋識(shí)別算法的基本原理

裂紋識(shí)別算法的分析數(shù)據(jù)基礎(chǔ)是裂紋近域的變形場(chǎng)。采用現(xiàn)代光測(cè)力學(xué)技術(shù)，將光學(xué)測(cè)量技術(shù)和圖像處理技術(shù)結(jié)合，可以對(duì)被測(cè)物表面的變形場(chǎng)進(jìn)行非接觸高精度全場(chǎng)測(cè)量。近年來(lái)，數(shù)字圖像相關(guān)法[9]、云紋干涉法[10-11]和光彈貼片法[12]多用于全場(chǎng)變形的測(cè)量，其中數(shù)字圖像相關(guān)法的應(yīng)用最廣泛。數(shù)字圖像相關(guān)法是一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和數(shù)值計(jì)算的光學(xué)測(cè)量方法，利用變形前后數(shù)字圖像灰度的變化來(lái)測(cè)量被測(cè)物表面的位移和應(yīng)變，具有光路簡(jiǎn)單、全場(chǎng)測(cè)量和對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的變形測(cè)量，本文即采用數(shù)字圖像相關(guān)法來(lái)獲得位移場(chǎng)。

1.1裂紋近場(chǎng)位移場(chǎng)的Williams表達(dá)

在二維線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)中，裂紋尖端附近的位移場(chǎng)（見(jiàn)圖1）可以用Williams級(jí)數(shù)表達(dá)式[13]描述，I型裂紋近域的位移場(chǎng)是對(duì)稱(chēng)的，Ⅱ型裂紋是反對(duì)稱(chēng)的，具體形式如下：

圖2更加形象地描述了粗細(xì)搜索法的優(yōu)化過(guò)程。首先在裂尖近域的范圍內(nèi)布置了n行m列的預(yù)設(shè)裂尖點(diǎn)，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)值最小的裂尖點(diǎn)（如圖2左側(cè)的黑色點(diǎn)）；再以該裂尖點(diǎn)為中心上下左右兩個(gè)間距的區(qū)域再次布置n行m列的預(yù)設(shè)裂尖點(diǎn)，再次求解對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)值最小的裂尖點(diǎn)（如圖2右側(cè)的黑色點(diǎn)）；循環(huán)迭代，直到前后兩次對(duì)應(yīng)裂尖點(diǎn)的歐式距離滿(mǎn)足某個(gè)精度時(shí)，則該點(diǎn)可作為測(cè)量到的裂紋尖端位置。

按照式（8）對(duì)模擬位移場(chǎng)添加不同強(qiáng)度的噪聲。圖3表示了噪聲強(qiáng)度分別為4、6、10和23的位移場(chǎng)。由圖中可見(jiàn)，當(dāng)噪聲強(qiáng)度為4時(shí)，位移場(chǎng)雖然還光滑但表面已經(jīng)有了微小波動(dòng)；隨著噪聲強(qiáng)度的增大，位移場(chǎng)變得越來(lái)越粗糙。當(dāng)噪聲強(qiáng)度為23時(shí)，上下波動(dòng)已經(jīng)變得非常明顯，通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)法獲得的位移場(chǎng)也不會(huì)有這么大的噪聲，添加高強(qiáng)度噪聲的目的是驗(yàn)證粗細(xì)搜索法對(duì)位移場(chǎng)中噪聲的魯棒性。

采用粗細(xì)搜索法對(duì)不同噪聲強(qiáng)度位移場(chǎng)中的裂尖位置進(jìn)行優(yōu)化迭代，獲得的分析結(jié)果（包括裂尖坐標(biāo)、相對(duì)誤差和分析時(shí)間）在表1中均列出。由表1中可知，噪聲強(qiáng)度不大于22時(shí)，粗細(xì)搜索法能夠以較小的相對(duì)誤差獲得裂尖坐標(biāo)位置；當(dāng)噪聲強(qiáng)度達(dá)到23時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的相對(duì)誤差，說(shuō)明此時(shí)噪聲對(duì)結(jié)果存在顯著的影響。實(shí)際試驗(yàn)中獲得的位移場(chǎng)中的噪聲強(qiáng)度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于23，所以粗細(xì)搜索法對(duì)在裂紋識(shí)別分析中具有很強(qiáng)的魯棒性，受噪聲的影響很小。另外在表1中還列出了不同噪聲強(qiáng)度下的分析時(shí)間，只有在噪聲強(qiáng)度是6和22時(shí)，分析時(shí)間很小，其余噪聲強(qiáng)度下保持一個(gè)穩(wěn)定的分析時(shí)間?？傮w來(lái)看，粗細(xì)搜索法的分析效率比較高且魯棒性好。

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作者簡(jiǎn)介

張文東（1987-）男，碩士，工程師。主要研究方向：金屬結(jié)構(gòu)的耐久性/損傷容限分析方法。

Tel：029-88267582E-mail：dongzi.666@163.com

卓軼（1982-）男，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)技術(shù)。

Tel：029-88267582

E-mail：zhuoyid@163.com

董登科（1963-）男，博士，研究員。主要研究方向：飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞/損傷容限研究。

E-mail：dengke623@sina.com

陳先民（1982-）男，博士，高級(jí)工程師。主要研究方向：金屬疲勞可靠性研究。

E-mail：vitochan@163.com

Research on the Method of Crack Identification and Experimental Verfication

Zhang Wendong*，Zhuo Yi，Dong Dengke，Chen Xianmin

AVIC Aircraft Strength Research Institute，Xian 710065，China

Abstract： This paper focuses on a method of crack identification based on digital image correlation method. Firstly， the basic principles of crack identification method are introduced and a coarse-fine search method which is used for optimizing the objective function iteratively is established. Then different intensity noises are added on simulated displacement field to verity the robustness of this method. Then center cracked tension specimen and crack propagation test are designed. Crack identification method is used to monitor the crack throughout the test process. Crack length and stress intensity factor are obtained. The results show that this method has little effect by the noise and can exactly get the crack information during crack propagation process. This study has a high engineering value for the realization of automatic crack measurement in the aircraft structure damage tolerance experiment.

Key Words： digital image correlation method； displacement field； coarse-fine search method； crack identification； experimental verification； stress intensity factor