Digitale beeld correlatie wordt gebruikt in vermoeiingstests op een resonantie testmachine om macroscopische scheuren te detecteren en scheur vermeerdering in gelaste specimens te bewaken. Scheuren op het preparaat oppervlak worden zichtbaar als toegenomen stammen.
Een procedure met behulp van digitale afbeelding correlatie (DIC) voor het opsporen van scheuren op gelaste specimens tijdens vermoeiingstests op resonantie testmachines wordt gepresenteerd. Het is bedoeld als een praktische en reproduceerbare procedure om macroscopische scheuren in een vroeg stadium te identificeren en de scheur vermeerdering tijdens vermoeiingstests te monitoren. Het bestaat uit stam veldmetingen aan de las met behulp van DIC. Beelden worden genomen bij vaste laadcyclus intervallen. Scheuren worden zichtbaar in de berekende stam veld als verhoogde stammen. Op deze manier kan de hele breedte van een kleinschalig preparaat worden bewaakt om te detecteren waar en wanneer een scheur begint. Vervolgens is het mogelijk om de ontwikkeling van de scheur lengte te bewaken. Omdat de resulterende beelden worden opgeslagen, zijn de resultaten controleerbaar en vergelijkbaar. De procedure is beperkt tot scheuren die aan het oppervlak worden geïnitieerd en is bedoeld voor vermoeiingstests onder laboratoriumomstandigheden. Door het visualiseren van de scheur, de gepresenteerde procedure maakt directe observatie van macro scheuren van hun vorming tot breuk van het preparaat.
Lassen zijn bijzonder gevoelig voor Vermoeidheids schade. Hun vermoeiingseigenschappen worden vaak bepaald op kleinschalige specimens die efficiënt kunnen worden getest. Tijdens de tests wordt een cyclische belasting toegepast. Uiteindelijk zal een scheur initiëren en groeien tot macroscopische grootte. De scheur zal dan groeien en propageren door het specimen. De test wordt meestal uitgevoerd totdat het preparaat volledig uitvalt. Het resultaat van de test is het aantal belastingscycli tot de storing voor de toegepaste belasting. Deze laatste mislukking is meestal duidelijk. Aan de andere kant, crack initiatie is complexer om te bepalen. Het kan echter van belang zijn bij onderzoeken naar parameters die niet uniform zijn over de dikte van het preparaat of die specifiek van invloed zijn op de scheur initiatie (bijv. residuele spanningen of nabehandeling).
Er bestaan verschillende methoden voor het opsporen van scheuren tijdens vermoeiingstests. De eenvoudigste zijn visuele inspectie, kleurstof penetratie testen, of de toepassing van stam manometers. Meer geavanceerde methoden omvatten thermografie, echografie, of Eddy huidige testen. Scheur vermeerdering kan worden bepaald met behulp van de afspan meters, akoestische emissie of de mogelijke druppel methode.
De voorgestelde procedure maakt gebruik van digitale beeld correlatie (DIC) om oppervlakte stammen op het preparaat te visualiseren. Het maakt detectie van de vorming van macroscopische scheuren tijdens vermoeiingstests. Bovendien kan scheur vermeerdering tijdens de test worden bewaakt. Voor DIC wordt een onregelmatig patroon toegepast op het preparaat oppervlak en bewaakt door camera’s. Van de vervorming van het patroon onder het laden, oppervlakte stammen worden berekend. Scheuren zullen verschijnen als verhoogde stammen hoger zijn dan een gedefinieerde drempelwaarde (> 1%) en dus zichtbaar worden.
Met de voorbaat van computationele technologieën wordt DIC steeds populairder voor industriële en onderzoekstoepassingen. Verschillende commerciële meetsoftware systemen en open-source software zijn beschikbaar1. De voorgestelde procedure biedt een ander gebruik van een technologie die reeds beschikbaar is in een toenemend aantal onderzoeksfaciliteiten in de mechanische en civiele techniek.
Vergeleken met visuele inspecties of kleurstof penetratie testen, is de voorgestelde procedure niet gebaseerd op subjectieve perceptie, die afhangt van de ervaring van een operator en de lokale geometrie bij de lasnaad. Zelfs bij een hoge vergroting kan het lastig zijn om scheuren in een vroeg stadium te detecteren (d.w.z. scheur initiatie), vooral als de exacte locatie niet vooraf bekend is. Bovendien worden met behulp van DIC de resultaten gered en dus reproduceerbaar en vergelijkbaar, terwijl visuele inspectie slechts kortstondig mogelijk is.
Met behulp van een volledige veld meting maakt de procedure het mogelijk de gehele breedte van het preparaat of de lengte van de Las te bewaken. Met behulp van stam manometers, het zou nodig zijn om verschillende meters toepassen op de specimen breedte, omdat de meting is gelokaliseerd. De veranderingen in het spanningsmeter signaal zouden afhangen van de afstand en de positie ten opzichte van de scheur. Het resultaat zou afhangen van de vraag of de scheur tussen twee Gauges of toevallig voor één zou beginnen.
Een ander voordeel van DIC is dat het visueel is, en het geeft een beschrijvend beeld van de scheur. Met behulp van rek meters voor scheur detectie of akoestische emissie voor scheur groei, de scheur lengte zelf wordt niet bewaakt, maar het wordt bepaald door veranderingen in de gemeten spanning of akoestische signalen respectievelijk. Bijvoorbeeld, in Shrama et al.2 dic toegestaan voor het begrijpen en interpreteren van akoestische emissie signalen. Andere beïnvloedende factoren of storende signalen kunnen het gemeten signaal beïnvloeden, wat tot onzekerheden leidt en een zorgvuldige interpretatie van de resultaten vereist.
Verschillende toepassingen van DIC voor het bewaken van scheuren in vermoeiingstests zijn gemeld. In veel gevallen wordt dic gebruikt om het spanningsveld te beoordelen op de crack tip3,4,5 en de stress-intensiteit factoren6,7,8 te bepalen of vermoeiings schade te detecteren op een microscopisch schaal9,10. In deze gevallen worden microscopische afbeeldingen gebruikt om gebieden van belang te onderzoeken in het bereik van enkele millimeters. De geteste specimens bestaan uit machinaal vervaardigd basismateriaal met afmetingen in het millimeter bereik. Grotere meet gebieden werden door Tavares et al.11 opgenomen om de stress-intensiteits factoren te bepalen, door shrama et al.2 om akoestische emissie signalen te bestuderen, en door hasheminejad et al.12 om scheuren in asfalt beton te onderzoeken. Poncelet et al.13 toegepast dic voor het opsporen van scheur initiatie op basis van de relatieve stam increment over een bepaald aantal belastingscycli. De tests werden uitgevoerd op specimens met een bewerkt oppervlak. Gelaste14,15 of gesoldeerd specimens16 werden bestudeerd met behulp van dic te registreren van de ontwikkeling van stammen tijdens vermoeiingstests. De specimens werden vanaf de zijkant waargenomen, waarbij de ontwikkeling van de scheur in de diepte richting, aan de rand van het preparaat, werd getoond.
Alle bovengenoemde experimenten werden uitgevoerd op Servo-hydraulische testmachines met belasting frequenties van een paar Hertz (< 15 Hz). Meestal werden de tests onderbroken om de beelden voor DIC op te nemen. VANLANDUIT et al.17 nam beelden tijdens de running test en toegepaste algoritmen om te compenseren voor de verschillende testen en beeldopname frequenties. Lorenzino et al.18 voerde tests uit op een resonantie testmachine en veroverde dic-beelden met microscopische camera’s. Kovárík et al.19,20 uitgevoerd tests op een resonantie testmachine met een frequentie van 100 Hz zonder onderbrekingen, met behulp van een procedure zeer vergelijkbaar met de hier gepresenteerde. De tests werden uitgevoerd op platte, gecoate specimens onder buig belastingen. Een enkele camera en een geactiveerde flitser werden gebruikt voor het vastleggen van beelden van een oppervlakte van ~ 20 x 15 mm. verschillende crack-evaluaties op basis van het spanningsveld en op het verplaatsings veld werden toegepast.
De in dit artikel gepresenteerde procedure wordt toegepast op gelaste specimens die een inkeping vertonen, en dus een stress concentratie. Een 3D-DIC-systeem met twee camera’s wordt gebruikt, waardoor rekening wordt houdend met de verplaatsingen van het preparaat uit het vliegtuig. De camera’s worden geactiveerd terwijl de verlichting constant is. Scheur detectie is gebaseerd op het spanningsveld gemeten op een oppervlakte van 55 x 40 mm.
De procedure biedt een robuuste en vergelijkbare manier om scheuren in vermoeiingstests op te sporen. Bovendien geeft het een record van scheur vermeerdering. Het is toepasbaar op resonantie testmachines met hoge laad frequenties. De tests hoeven niet te worden onderbroken voor metingen en er hoeft tijdens de test geen operator aanwezig te zijn. De procedure kan daarom efficiënt worden toegepast op grote aantallen tests om informatie op te halen over het initiëren en propageren van scheuren.
De gepresenteerde procedure bestaat uit het gebruik van DIC voor het opsporen en bewaken van vermoeidheid scheuren op gelaste specimens getest op een resonantie testmachine zonder onderbreking van de test. De belangrijkste uitdaging in de toepassing is de hoge belasting frequentie van de resonantie testmachine. Het vereist relatief korte blootstellings tijden en dus een hoge verlichting voor de overname van de beelden voor de DIC-tests. Daarom moet de verlichting worden gemaximaliseerd. Aan de andere kant kunnen reflecties op het metalen oppervlak het gebruik van polarisatiefilters vereisen, waardoor de hoeveelheid licht die de camera’s binnenkomt, wordt verminderd. Om het beschikbare licht beter te kunnen gebruiken, kan het diafragma van de doelstellingen worden vergroot. Dit zal de scherptediepte verminderen. Het is daarom noodzakelijk de focus exact op de afstand van het preparaat oppervlak te stellen en de buiten beweging van het preparaat mag niet hoger zijn dan het gefocuste bereik. De installatie van de camera’s en verlichting vereist bijzondere zorg.
Niettemin zijn de door DIC berekende stammen mogelijk niet erg nauwkeurig (Figuur 6). De berekende stammen kunnen hoge ruis vertonen. Op sommige van de facetten die worden gebruikt voor DIC, het spikkel patroon mogelijk niet herkend en stammen worden niet berekend. Maar de voorgestelde procedure is robuust gebleken met betrekking tot de kwaliteit van de DIC-resultaten. Zelfs als de resultaten niet goed genoeg zijn om de stammen aan de las precies te bepalen, moet het nog steeds mogelijk zijn scheuren te detecteren.
De hier gepresenteerde Butt Weld heeft een relatief gladde lasteen in vergelijking met andere lasgeometrieën. Scheuren zullen waarschijnlijk leiden tot onvolkomenheden langs de las teen met een scherpe Inkeping en dus een hoge stress concentratie. Helaas, het mogelijk niet mogelijk om te evalueren van stammen door DIC op deze exacte locaties omdat de facetten die worden gebruikt voor de berekening kan niet worden herkend. Afbeelding 5 toont bijvoorbeeld een scheur aan de linkerzijde van het preparaat, ontbrekende facetten bij + 25 mm horizontaal/-5 mm verticaal. Maar zoals getoond in het voorbeeld, zelfs als sommige facetten niet worden geëvalueerd is het nog steeds mogelijk om te bepalen wanneer de crack initieert en begint te groeien. Voor lassen met een steilere hoek en scherpere inkepingen (bijv. langsschotje, filet Weld) kan het helpen om de camera’s te kantelen ~ 15 ° om de hoek naar het lasoppervlak te verhogen. De voorgestelde procedure werd ook toegepast op longitudinale verstijgers. Ondanks de relatief scherpe inkeping aan de las teen was het mogelijk om scheur initiatie betrouwbaar te detecteren.
Macroscopische scheuren worden verondersteld wanneer stammen van 1% of meer worden bereikt. In een studie van Kovárík et al.20werd dic toegepast om scheuren op te sporen op met thermische spray beklede, niet-gekerfd specimens. Er werd gesteld dat de drempelwaarde voor crack detectie kan worden vastgesteld in het bereik van 0,5% en 1% zonder de resultaten significant te beïnvloeden. Deze waarden worden bevestigd door de vergelijking met de strand merken (Figuur 4 es Figuur 5). Een lagere waarde leidt tot een eerdere scheur detectie, maar kan gevoeliger zijn voor onzekerheden en minder vergelijkbare resultaten opleveren. Een hogere waarde zal leiden tot een latere herkenning van scheur initiatie, maar de resultaten zullen waarschijnlijk meer vergelijkbaar en reproduceerbaar zijn.
Het toepassen van de eerste laadcyclus statisch (stap 3,3) kan leiden tot tijdrovend gebruik wanneer veel tests worden uitgevoerd. Als er geen plastic stammen optreden bij de lasnaad (inkeping), kan het ook worden weggelaten en de onbelaste toestand (stap 3,2) gebruikt als referentie voor stam berekeningen. Anders kan een van de beelden die aan het begin van de dynamische test zijn verworven, worden gebruikt als de beeldkwaliteit toereikend is (Zie Figuur 6).
Als slechts enkele exemplaren worden getest, mag de insteltijd niet worden onderschat. Het kan enige tijd en iteratieve lussen nodig zijn om de camera’s nauwkeurig te installeren en in te stellen en de kalibratie uit te voeren om de juiste beelden voor de DIC-beoordeling te krijgen.
Preparaat preparaat, aan de andere kant, is snel en goedkoop. Monsters hoeven alleen te worden gereinigd en met kleur gespoten om de spikkel Patter toe te passen. Dit kost weinig kosten en maakt de voorgestelde DIC-procedure praktisch, vooral als een groot aantal specimens zal worden getest.
Een bijkomend voordeel, vooral voor grote verzamelingen van specimens of proeven die ‘s nachts worden uitgevoerd, is dat de camera’s automatisch worden geactiveerd en dat de tests niet hoeven te worden onderbroken.
Een beperking van de DIC-procedure is dat het als optische methode beperkt is tot oppervlakte scheuren. Bovendien moet het te bewaken gebied zichtbaar zijn voor de camera’s terwijl het preparaat in de testmachine is gemonteerd.
De gepresenteerde procedure werd voornamelijk gebruikt om het begin van technische scheuren op te sporen. Maar zoals aangetoond, het zorgt ook voor de beoordeling van scheur groei (bv, om te bepalen scheur vermeerdering percentages). Het resultaat is de lengte zichtbaar op het oppervlak. Crack front kromming kan echter niet worden gedetecteerd.
De procedure bewees de toepasbaarheid ervan op gelaste specimens die een relatief gecompliceerde oppervlakte topologie vertonen. Het moet ook van toepassing zijn op niet-gelaste specimens, aangezien de afwezigheid van geometrische inkepingen de DIC-metingen moet vergemakkelijken. Een soortgelijke procedure is toegepast in Kovárík et al.20 op niet-ingekeepte specimens.
Bovendien kan de procedure ook worden toegepast voor vermoeiingstests op Servo-hydraulische testmachines. Hier zou de Testfrequentie lager zijn dan op een resonantie testmachine. De belichtingstijd van de camera’s kan dus langer zijn, wat de camera-instelling moet vergemakkelijken.
Kortom, de gepresenteerde procedure biedt een eenvoudige manier om de ontwikkeling van scheuren in vermoeiingstests te bestuderen. Het maakt detectie mogelijk van technische scheuren en bewaking van scheur vermeerdering (bijv. om de scheur snelheden in vermoeiingstesten te bepalen). Het illustratieve karakter van de resultaten vergemakkelijkt de interpretatie en beoordeling ervan. De techniek is toepasbaar op resonantie testmachines met hoge laad frequenties zonder de tests te onderbreken. De metingen zijn volledig geautomatiseerd, dus er is geen continu toezicht nodig. Het is van toepassing op gelaste specimens die een relatief gecompliceerde geometrie in het gebied van belang vertonen. Op kleinschalige specimens kan de gehele breedte van het preparaat worden gedekt. Bovendien wordt de procedure gekenmerkt door een eenvoudige installatie en elementaire postverwerking, waardoor het een praktisch alternatief is voor bestaande methoden.
The authors have nothing to disclose.
Gefinancierd door de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Duitse Stichting voor onderzoek) EH 485/4-1.
ARAMIS 5M | gom | DIC system including two 5 megapixel cameras and control unit | |
ARAMIS | gom | v6.3.1-2 | DIC software |
Calibration object | gom | CP 20 | MV 30 x 24 mm2 |
Camera objectives, 50 mm | Titanar 2.8 / 50 | ||
Hydraulic Wedge Grip | MTS | 647.25A02 | |
Hydraulic Grip Supply | MTS | 685.10 | 10,000 Psi |
LED lights | Diana LEDscale | KSP0495-0001A | 4 x 16 W LED lights |
Polarization filters | Schneider-Kreuznach | 52,0 AUF (2 x for cameras) | |
Polarization filters | Schneider-Kreuznach | 67,0 AUF (4 x for lights) | |
Resonance testing machine | Schenck | 200 kN resonance testing machine | |
Resonance testing machine control unit | Rumul | v 2.5.3 | Resonance testing machine control unit and software |
Spray paint | Black and white spray paint, matt |