基于数字图像方法的裂纹扩展阻力自动化测量技术

工程 与试验 ENGINEERING 8L TEST Mar．2O13基于数字图像方法的裂纹扩展阻力自动化测量技术王魁奎(北 京航 空航 天 大，李晓星，刘俊晨，乔雅智学机械 工程及 自动化学院，北京 100083)摘 要：在对金属材料断裂韧性各种测试方法进行系统分析的基础上，研究了基于数字图像方法的稳定裂纹扩展阻力自动化测量技术，搭建了一套基于CCD数字相机的稳定裂纹扩展测量硬件系统，并开发了软件处理系统，介绍了判断金属材料断裂性能的裂纹尖端张开角(CT0A)的测量方法和试验步骤。

关 键词 ：数字 图像方法 ；断裂韧性 ；稳定裂 纹扩 展中图分类号 ：TH87 文献标识码 ：B doi：10．3969／j．issn．1674—3407．2013．z1．003Automation Technology of M easuring Crack Propagation Resistancebased on Digital Image M ethodWang Kuikui，Li Xiaoxing，Liu Junchen，Qiao Yazhi(School of Mechanical Engineering and Automation，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100083，China)Abstract：On the basis of system analysis for the various measurement methods of crack propaga—tion in metallic materials，the automation techno!ogy of measuring the stable crack propagationresistance based on digital image method is studied．A hardware system of measuring stable crackpropagation based on CCD camera is built，and the software system is developed．The test meth—od and the test procedure of crack tip opening angle(CTOA)which is used for j udging the frac—ture properties of metallic materials are introduced.

Keywords：digital image method；fracture toughness；stable crack propagation引 言近年来 ，随着大 口径高 内压输气管线的广泛应用 ，对于管线的可靠性设计、检查和维护的要求也大大提高 。许多灾难性 的破坏事故起源于裂纹在管道上的迅速扩展。关于管道断裂的研究工作主要集 中在延性断裂上 ，尤其是关于延性断裂的止裂方面一直是研究热点_1]。

目前，裂纹尖端张开角(CTOA)是裂纹扩展 中最重要 的断裂 力学 参量 。在裂 纹稳 态扩 展 阶段 ，CTOA达到临界值而保持恒定不变。研究者普遍认为，对于钢制管道 ，用 CT0A表征其断裂韧性最符合实际情况，现 已成为 目前应用最为广泛 的裂纹稳态扩展判据，也是具有发展前途的止裂研究方向，其部分研究成果已应用于工程实际。

目前，测量 CT0A，使用 比较广泛 的方 法为试验后测量法 ，即显微形貌法。这种方法非常费时费力 ，而且精确度不高，不能记录裂纹扩展过程 中的数据。本文提出了另外一种测量 CTOA的方法，即数字图像法 。

2 数字图像测量技术简介2．1 图像测量技术图像测量技术是近年在测量领域形成并逐步成[收稿日期] 2012—12—10[作者简介] 王魁奎(1986一)，男，硕士学历，主要研究方向：非接触测量技术。

王魁奎，等：基于数字图像方法的裂纹扩展阻力自动化测量技术熟的新技术 ]。所谓图像测量技术，就是测量被测对象时，把被测对象的图像当作检测和传递信息的手段，并从中获取有用信号的测量方法。图像测量技术的基本原理就是检测和处理被测物体图像的边缘而获得物体的几何参数，因此，图像处理技术成为图像测量系统的基础和关键 。

图像测量系统是 以光学为基础 ，融光电子学、计算机技术、激光技术、图像处理技术等现代科学技术为一体，组成光、机、电、算综合的测量系统r3]。它广泛应用于几何量的测量 、航空遥感测量、精密复杂零件的尺寸测量和外观三维检测 ，以及光波干涉图、应力应变场 状 态分 布 图等 和 图像有 关 的技 术领 域中? 。

2．2 图像处理原理图像处理的目的是将传送过来的图像数据按照系统的目标进行处理分析，以便获得准确清晰的图像边缘 ，进而提取其尺寸特征_5]。具体 图像处理过程如图 1所示。

原始图形 ．-1数字化 灰度图 小波变换去噪堡巫围堡卜卜—— 生銮 1．—_1 竺 笪三望堡堡图 1 图像处理过 程(1)将采集到的图像转换成为数字形式。

(2)将真彩色图像转换为灰度图来处理 ，以加快图像处理的速度以及缩减存储空间。

(3)图像增强。灰度化后的图像里面背景噪声比较大，而且要从中提取所需要 的信息 比较麻烦 ，有一 定的难度。需要对 图像进行增强 ，改善 图像 的质量 ，让观察者得到更直观清晰的适合分析的依据 ，有目的地强调图像的整体或局部特性 。常用的增强技术包括：对比度扩展，增强图像中对像的边缘，清除噪声，保留图像中感兴趣的某些特性而抑制另一些特性 。

2．3 数字图像测量系统本文 所述 的测 量 系 统 根据 裂 纹 尖 端 张 开 角(CTOA)测量 的国标 (GB／T 24522—2009)要求研制 ，能实时跟踪测量并记录在外力作用下裂纹张开的全过程，并采用数字图像处理技术，大幅提高了测量数据处理和分析的自动化程度及测量精度。

数字 图像测量系统 的试验装置如 图 2所示，主要由CCD数字相机、分析处理软件、光源和计算机等组成。

A．白光 B．物体 c．CCD D．图像卡 E．计算机图 2 数字 散斑 相关技术测量示意图3 试验装置及试验过程3．1 试验设备整个图像测量系统，硬件包含 CCD相机 、镜头 、标定板、步进电机及导轨、试验机等(如图 3所示)。

图 3 试验设备软件采用北航研制的图像测量软件系统。图像测量系统综合了机器视觉 、精 密光机 、精 密测量、数值算法等技术，提供了一个基于影像的精密测量工具 ，广泛应用于电子、军工 、模具 、橡胶 、塑胶制品、五金、刀具、弹簧、汽车零件及教学、科研、产品研发等领域 。软件特点 ：拥有超强及完善的 2D几何测量功能 ；适用 于批量或复杂尺寸工件 的检测 ，提高检测效率 ；强调快速 、精准、保证品质；提供影像截取、对比、校正、补偿、自动寻边、自动取点、自动对焦 、智能学习等功能 ；多语言支持功能。

3．2 裂纹尖端张开角(CTOA)裂纹尖端张 开角 (CTOA)l6 的定义 如 图 4所示 。

工程 与试验图 4 CTOA测量示意 图纹尖端CTOA--2arctan( 1im ) (1)‘ 山 一 0凸 “式中，△ 一裂纹尖端张开位移(CTOD)，△a一裂纹扩展量，临界状态下，最大的延性裂纹扩展驱动力等于材料的延性裂纹扩展阻力，反应到裂纹尖端张开角的量值 ，有 ：(CTOA)? 一 (CTOA)c (2)CTOA判据是通 过计算裂纹扩 展过程 中每 一时刻裂纹尖端的张开角大小，并与材料的临界裂纹张开角进行比较来判断管道裂纹是继续扩展还是止裂。即：若 (CTOA)?≥(CTOA) ，则裂纹扩展 ；若 (cTOA) <(CTOA)c，则裂纹止裂。

其中，(CTOA)一是管道裂纹延性扩展中最大的裂纹尖端张开角，可采用经验公式或弹塑性有 限元方法进行计算 。(CT0A)c的大小代表了材料 的止裂韧性，可以通过带缺口落锤试验(DWTT)或夏比冲击韧性试验(CVT)采用经验公式换算得到。

3．3 操作过程试样如图 5所示。

图 5 试样将试样安装在试验机上 ，调整好镜头与试样 的位置与角度，并做好标记(如图 6所示)。当试验机开始拉伸时，每隔 5s，相机拍摄一次。

将拍摄 的照片导入北航研制的测量系统进行测· 12 ·图 6 试验状况量，界面如图 7所示。从图中可以清楚地看出，软件能准确地找到裂纹边缘点并显示这些点 ，连接这些点得到的裂纹边缘线与真实裂纹边缘 高度吻合 ，并可以得到裂纹扩展过程中任何时刻的 CTOA值。

图 7 测量软件界面3．4 试验结果试验结果如图8所示。使用数字图像相关法测量 CTOA 比显微形貌法以及间接测量法更精确 ，操作更方便 ，能够记录裂纹扩展全过程，省时省力。

图 8 试验结果 (下转第 15页)曹永超：超声相控阵波束成形的研究与实现本设计把通常的数字波束成形器中的延迟单元拆分为由双口RAM 构成的粗延迟模块和分数延迟FIR构成的细延迟模块 。粗延迟采用双 口 RAM 实现，各通道同步把 ADC的采样值循环存入一定容量的双 口 RAM 中 ，再根据各通道粗延迟量的不 同把相应延迟后的采样值读出到细延迟模块。细延迟模块采用分数延迟 FIR，根据细延迟量的设定进行分数延迟 FIR处理，在不用提高 A／D采样速率的前提下达到细延迟的效果，实现了高延迟分辨率，同时还起到了滤波的作用。

本设计中，延迟单元的设计实现了实时响应延迟量的变化，支持了动态深度聚焦的要求，还提高了延迟量控制的精度 ，具有实时性好 ，控制灵活的优点。

本设计还加入了幅度加权模块 ]，可用于对各通道进行不同的加权处理。采用合适的加权系数，可以有效地减少超声阵列换能器产生的旁瓣，集中主要能量在主声束 ，增强换能器 的指 向性 。

图 4中的范围计数器为从发射起 与声波渡越时间对应的计数值 ，以指示当前探测深度 ，并通知延迟量产生器 产生相应聚焦深度对应的延迟量。加权系数表存储着各通道的加权系数。

5 结 论对超声相控阵波束成形技术 的原理 、实现方式及分类进行了研究 ，并对标准相控 聚焦和动态深度聚焦方法做了对比，设计了基于数字波束成形技术的波束成形器，采用粗延迟和细延迟结合的方法，在不提高 A／D采样速率的前提下提高了延迟分辨率，同时增加了幅度加权模块，可用于减少旁瓣影响，提高换能器指向性，具有实时性好、延迟分辨率高、控制灵活等特点 。

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(上接第 l2页 )4 结 论与传统的显微形貌法测量 CToA相 比，数字图像方法可 以实时地记 录裂纹扩展的全过程 ，省时省力，精确度高 ，而且避免 了试件从试验机上取下过程中可能对测量结果造成的影 响。所以可以确定 ，数字图像 方法 能 精 确地 测 量 裂纹 扩 展稳 定 之 后 的CTA值，快速准确，自动化程度高。实际使用证明，所开发的系统能满足稳定裂纹扩展阻力 自动化测量的工程应用要求。

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