基于三维数字图像相关的双轴振动疲劳试验研究

作者:魏良宝;蒋明; 刊名:苏州科技大学学报(工程技术版) 上传者:石会来

【摘要】为研究双轴振动疲劳下,构件裂纹区域位移与应变场的变化规律,本试验采用双轴振动疲劳装置与数字采集系统实时监测裂纹区域。由高速数字图像相关系统采集一系列正弦交变载荷作用下预制裂纹梁试件裂纹周边区域的序列数字散斑图像,应用三维数字图像相关技术获取试件固有频率的变化、预制裂纹尖端区域的位移场及应变场。通过对预制裂纹尖端区域在不同循环周期下离面位移、主应变、离面应变变化的分析,获得位移、应变与循环周期之间的变化规律。

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工程结构在服役中,由于受外界激励的长期作用,将会产生振动和疲劳的问题,这些激励通常来自多个方向,例如风-车-桥振动耦合,水立管双向水流振动影响等。由此导致的结构振动疲劳损伤研究变得更加复杂。 焦群英等[1]论述了共振疲劳与强迫振动疲劳的差异,强调了共振疲劳与结构的动态特性关系并且论述了利用应变模态分析的结果确定共振疲劳危险点位置原理。刘文光等[2-3]为提高裂纹板的振动疲劳分析精度,提出一种振动疲劳裂纹扩展耦合分析的方法,以及一种裂纹梁的振动疲劳与裂纹扩展相结合的分析方法;王锦丽等[4]研究了加载频率对悬臂梁振动疲劳特性的影响,得出加载频率对振动疲劳寿命有较大的影响;李光强[5]以南广铁路新建郁江钢桁梁斜拉桥为案例,研究了在风与列车荷载共同作用下钢桁梁斜拉桥的竖向振动和斜拉索、关键杆件的疲劳损伤和疲劳寿命问题;张磊安等[6]提出了一种基于电驱动模式的双轴共振疲劳加载方式;蒋培等[7]对传统振动台的单轴依次加载和目前的多轴振动台的多轴同时加载模式进行比较分析,研究不同形式加载对疲劳裂纹应力强度因子的影响,最终得到多轴振动同时加载比单轴依次加载对疲劳破坏影响更大。张莉等[8]应用有限元法和疲劳损伤累积理论对6种损伤参数进行修正,计算得到了单轴、多轴比例与非比例循环载荷作用下疲劳损伤累积规律,建立了一种损伤演化方程,估算疲劳寿命。 MahdiHeydari等[9]提出一个连续双线性模型来研究裂纹梁的强迫弯曲振动,该模型考虑了转动惯量和剪切变形的影响,由该模型所提出的方法而得到的频率响应与有限元所得结果对比验证了该方法的准确性;MasayukiKamaya[10]得出小面积屈服和大面积屈服条件下应变强度因子是一个有效参数,来预测裂纹扩展;A.J.Dentoras和A.D.Dimarognas[11]提出由于裂纹进而影响了在下一个外力在恒定的振幅和频率下的系统动态响应,裂纹深度决定了自身的弹性。裂纹扩展导致连续系统附加深度的产生,这导致结构远离共振区域从而导致裂纹区域受力变小,出现动态止裂现象;O.Plekhov[12]等在实验和理论方面研究了在循环载荷下的裂纹扩展,通过实验数据的分析得出在裂纹尖端塑性变形区和能量耗散的变化;M.Krawezuk[13]等对裂纹旋转梁的自由振动通过进行有限元的分析得出裂纹可以改变系统的固有频率;M.Bachene等[14]使用扩展有限元 的方法来对裂纹板进行振动分析,数值分析结果与实验结果吻合比较好。本研究运用三维图像相关技术,对预制裂纹梁进行单轴、双轴振动疲劳试验,获得了试件固有频率的变化以及预制裂纹周边微小区域的位移场和应变场,对比了单轴与双轴疲劳振动中固有频率的变化;分 析了裂纹的萌生以及扩展机理,最终获得双轴振动疲劳的位移、主应变与循环周期数之间的变化关系。 1三维数字图像相关基本原理 三维数字图像相关方法是基于双目立体视觉原理和数字图像相关匹配技术的三维变形测量方法。如图1所示,由两个互成一定角度的相机同步拍摄喷有人工散斑的被测物表面,通过分析左右相机记录的散斑图像,运用图像相关运算获得以被测点为中心的图像子区在左右图像中对应的位置,根据相机标定获得的左右相机的内外参数,建立空间几何关系,从而实现试件表面的三维重建[15]。 用来比较图像变形前后子区域相似程度的相关函数为[16] 其中,f(x,y)和g(x',y')分别为图像子区变形前后的灰度值,f和g分别为参考图像子区和目标图像子区的灰度平均值,即 2试验概况 2.1试验系统 试验系统主要由NI数据采集控制系统、功率放大器、激振器、三维图像相关系统、试件以及约

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