翻译1

航空面板应力强度应子的数字图像相关性评价Y.Du & . . í & . . & . .

摘要

首次通过使用数字图像相关法定量研究了在一个大飞行器面板（4.8米*1.4米）裂纹扩展的断裂行为。使用由数字图像相关性和多点过度确定方法结合的方法去满足裂纹尖端实验数据的位移场方程的方法去评价复合型（Ⅰ+Ⅱ）应力强度应子。在面板发生断裂时，在十分钟的时间拍摄超过800张图像。通过观察，裂纹以一个相对低得速度穿透蒙皮扩展，具有平均0.014mm/s的裂纹尖端扩展速度并且，由于结构的加固，裂纹在特定点改变它的扩展方向。在实验的后期阶段，观察主要的剪切边，得到一个预期的薄的，宽的并且塑性区大大增加的平面应力状态。有位移场得到的Ⅰ应力强度应子的值最初线性的增加到大约50Mpa√m(K c=37Mpa√m),然后随着裂纹有序的扩展到100mm，它的值非线性的增加到300到50Mpa√m。这表明高的应力强度应子的值并不能代表一个不切实际的材料的断裂韧性，而是表明面板上肋、桁条检查孔的组合结构的高的耐裂纹增长性，它让蒙皮保持应变水平否则将导致不稳定的裂纹扩展。数字图像相关性被证明在评价这类结构行为中特别有效。

关键词：数字图像相关性，应力强度应子，航空航天，复合型裂纹，断裂韧性。

介绍

能源的成本和减少碳排放量的需要已经加强焦点在安全关键应用中的轻量结构上，例如：航天，刺激着更精确的结构完整性评估方法的发展。一种合适的评估方法是利用分析理论、最优化模拟和物理实验。对于一个复杂的航空航天组件，所有这些方法都具有挑战性并且为了取得经济效益可能涉及妥协。

最新的实验力学进展，特别是数字图像相关性，提供了从实际实验的重逢提取更多信息的机会。在这个报告里，在断裂试验中使用DIC获得的位移图对一个大飞行器面板的裂纹传播的分析是评估应力强度应子的最新进展。结果既表明了该技术的新功能，有提供了对带有加强筋和检查孔的复杂航空零件的断裂行为的

新的见解。

各种实

验方法，例

如光弹性、

热弹性应

力分析和

不同类型

的干涉方

法。已经被

用于在评

价实验样

品的应力

强度应

子

中[1，2]。然而，大多数方法在实际工程应用中有特殊的限制。例如，光弹性在不透明的材料上需要有敏感涂层，热弹性方法需要在绝热条件下施加循环荷载和干涉方法有严格的稳定性要求[3]。最近，DIC在实验力学中越来越普及，尤其是对于应力分析，由于其全场测量和非接触测量的能力和在各种尺度[5-7]和速度[8]下相对容易实施和应用。这种光学技术采用跟踪和图像配准技术从数字图像中队变形、位移、应变进行准确的2D和3D测量。

Figure 1 A schematic diagram of the specimen with speckled area Shaded in grey and the direction of crack propagation is shown by the arrow; the inset photographs show the area of speckle pattern around the tip of the fatigue crack (focus of arrows) used for DIC; the chained line is parallel to the loading axis, connects two major geometric features, i.e. a rivet and a reinforced hole, and passes through the area of analysis. The strain gauges used to determine the applied stress are clearly visible below the speckle pattern in the top photograph

最近，已经发展到结合数字图像相关性（DIC）技术和MPODM通过使应力场方程满足实验数据来表征裂纹尖端周围的应变场[9]。MPODM是通常基于Newton Raphson方法并且由于他能通过提供许多数据点的平均统计结果的方法来解决非线性方程组的问题，在实验应力分析中非常重要的一种非线性最小二乘法[1]。

通过结合DIC技术和基于使用虚拟裂纹扩展概念和辅助域的拉格朗日守恒定律发展的方法，Rethore等人评估了由不锈钢制成的紧凑拉伸试件的复合型（Ⅰ+Ⅱ）应力强度应子[10]。他们的结果表明了DIC技术的优势，其包含了强健的应力强度应子的评价。Yoneyama等人也通过利用DIC结合MPODM方法评估了聚

合物样品的复合型应力强度应子并且提出了应力强度应子以及高阶项和裂纹尖

端的位置作为未知量的方法[11]。Lopez Crespo等人研究了发展代表位移的Muskhelishvili复杂的功能方法的功效，从而得到纯模型Ⅰ和复合型（Ⅰ+Ⅱ）裂纹的应力强度应子[9]。

在本文中，相信是第一次使用DIC进行对一个大的航空面板的断裂行为的研究。第一次使用从一个商业飞机的机翼蒙皮的铝合金面板进行了疲劳试验。一旦疲劳裂纹发生，疲劳荷载停止，为了确定面板的剩余构造形成力，静荷载被施加直到面板完全断裂为止。在试验的断裂阶段，裂纹尖端的位移图通过数字图像相关性和使用MPODM基于位移分析，在Lopez Crespo等人之后描述Muskhelishvili的方法。采集超过800张裂纹扩展图像并且使用专门编写的MATLAB代码处理。将要讨论的结果是，提供了复杂组件的断裂行为的新的深刻的见解。

实验

由铝合金2024-T351制成的一个大的面板，它有一个飞机机翼蒙皮面板的几何形状代表被用作为这个研究的样品。该样品为4.8*1.4，重约280kg并且除了钢筋区外大约10mm厚。该面板由5根横向的等间距的肋垂直于所施加荷载和8根平行于负载的等间距的桁条加强的。肋和桁条间距分别为0.96m和0.175m，除了一些在几条肋间的隔区中的桁条被省略，如图1所示的检查孔位置。为了弥补缺乏桁条的加强，检查孔周围的机翼蒙皮要加强。由于几何设计的专有性，只有总体尺寸被提供。为了表征该材料的力学性能，几个由同样铝合金制成的小的拉伸试样进行了测试并且力学性能列于表1中。

使用一个

750KN的拉压

实验机来施加

荷载，对面板

进行疲劳试验。

在疲劳试验

中 ，从附着在

机翼蒙皮上的

孔洞到中心桁

条并且靠近中

心发出的平面

中心区域的表

面上的裂纹需the DIC system set-up for the fracture test 要观察。由于

检查孔的存在，在肋隔区中的中心桁条两侧成对的桁条不存在。

裂纹垂直于加载Figure 2 Photograph showing the specimen and loading machine with

方向传播，使得在疲劳试验结束

时，裂纹长度是a=72mm并且尖

端从最近的纯面板的几何特点

至少这个距离，如图1所示。

接着，在疲劳试验中施加静荷载到试

样上而不是循环荷载。同时，数字照

相机结合来自Schneider Krewznach

的8mm焦距透镜被用来捕捉裂纹扩

展。试样和加载装置的规模意味着在

加载期间相比于裂纹尖端的附近的

局部变形试样的刚体运动将会非常

大，换句话说，运动比视觉所能感应

到的大，需要获得裂纹尖端附近的定

量信息。因此，如图2所示，照相机

被固定到试样上以为了消除图像相

关中的面板的刚体位移并且因此避

免了尝试相关的需要，然后分离大规

模刚体位移和小规模变形。刚体运动

的不存在的确定通过将一个结合着

小块泡沫的金属安装在试样上提供，

可以在图1种的上部分图片的斑点

右侧看到并且在图3中的位移数据

的底部边缘。摄像头安装的位置到裂

纹足够的距离以为了不影响裂纹尖

端的应变场。类似的，相对于面板照

相机和安装的质量可以忽略不计，为

了获得可靠的图像相关性，在裂纹的

预期路径的50mm*60mm的区域涂

上散斑图案。摄像机有1236像素

*1628像素的分辨率和大约以每秒一

张图像的速度纪录裂纹的扩展。在试

验过程中超过800张图像并且使用

Istra4D图像相关软件处理得到裂纹

尖端周围的位移场。这中软件是专为

与使用DICQ-400系统而设计的，然

而，这中硬件不在试验中使用。相反，

数据是使用VisSnop软件收集的。这

种系统的组合是因为数据收集是在

Airbus实验室而数据处理是在

Michigan州立大学而采用的。

用于Istra4d包的相关算

确定在加载of applied load which is vertical in these plots) at t=150 (top), 法在空间域中进行，

330 (middle) and 600 (bottom) with crack propagation from left 前后两幅图像中的每个对象点

这是通过跟踪强度或灰to right, i.e. the images are rotated 90° clockwise relative to Fig. 1 的位置。Figure 3 Plots of the displacement in the y-direction (in direction

度值作为一种模式或功能来实现，G（x，y）定义的局部小的重叠的面内图像和最小差函数：

（g0，g1）被称为光照参数,（a0，a1，……，a7）作为变换参数。最小化是通过两个不同的光照和转换参数的值来运算的[13 ]。该解决方案的空间分辨率，即位移场取决于所采用的相关过程运算方面的大小。在这种情况下，裂纹尖端的位置需要被15像素重叠的17×17像素的平面大小来高精度的定位，以至于以2像素或者0.08mm的间隔给出大约491600的小平面来得到位移矢量。

软件默认二维标定文件应用于相关程序。通过相关的位移场和真实图像之间的比较得到的修正因子，这是适用于整个位移场来得到位移的实际值（图3） 数据收集

一旦确定相关性并且得到位移场，从裂纹尖端选择数据点的选择对混合型应力强度因子（SIF）的评估至关重要。有许多影响应力强度因子（SIF）的计算的因素，如采样数据点的数量和分布，在位移场的分析描述的级数的高阶项的数目，和裂纹尖端的位置的准确性等等。这些因素都被Lopez等人详细地研究了[ 9 ]，和在本次调查中取得的他们相应的控制是使用专门编写的MATLAB程序，。利用MATLAB界面，裂纹尖端可以很容易地手动确定或使用Sobel边界子例程序自动确定[ 9 ]，这是一个MATLAB提供的标准功边缘函数。这边缘子程序查找在图像中强度变化迅速的交叉的像素的线。在这种情况下，在Sobel程序中方向参数被指定为水平和垂直方向，裂纹路径既不是完全水平也不是垂直提供。

Muskhelishvili复变函数[ 12 ]用来确定裂纹尖端位移场[ 9 ]，因为它们在承受平面变形下描述的均匀、各向同性材料的线弹性行为是仅使用来自该地区的裂纹尖端的或与之相关的可塑性为主的弹性区域收集得数据非常重要。很难用数字图像相关法得到的位移数据确定塑性区的限制，所以MPODM求解半径范围内的环的应力强度因子的值，数据的收集基于95%置信区间的结果（KI和KII）绘制成的半径的函数（图4）以及计算如下。如果KI和KII值分别约为常数和误差很小则半径值是有效的。在随后的计算中，有效范围的下限进一步使用，例如，在t = 310 s，该环的内半径为2.4毫米。这个过程在试验中名义上以50secs间隔重复，由于塑性区将随裂纹长度的增长。相比之下，在离裂纹一定的距离面板的同一区域内一对应变计数据（见图1），被用来通过计算应力估计塑性区尺寸，σ0使用单轴虎克定律。裂纹作为由孔放射开的远程加载裂纹，为了[ 14 ]：

Ι= 0 +