基于非线性曲线图像演化的高温材料断裂性能研究

目前针对高温下的材料断裂性能研究很少，且主要集中在800℃以下的金属材料性能研究，其根本原因是实现金属材料在高温载荷状态下的裂口位移测量环境以及实现高精度测量都非常困难，此外，多数采用传统力学方法进行金属材料的高温力学行为分析研究。本项目针对高温金属材料力学性能研究不足，借助快速的计算机发展技术，基于云纹干涉非接触精确测量方法，研究高温（1000-1500℃）条件下加载的金属材料带裂纹结构裂口位移测量，根据云纹干涉图像，采用计算机图像处理、模式识别、多尺度非线性曲线计算技术，通过全新图像轮廓提取和非线性曲线演化方式从而推断出高温材料的断裂性能及行为；借助于高温材料断口SEM图像 并结合高温材料位移测量及图像演化计算分析高温下材料的断裂机理。从而实现快速、形象地表征高温金属材料力学性能。本项目的研究成果将对现代核工业、航空航天、国防等领域具有重要的应用价值。

本项目针对高温金属材料，借助快速的计算机发展技术，基于云纹干涉非接触精确测量方法，研究高温下加载的金属材料带裂纹结构裂口位移测量，根据云纹干涉图像，采用计算机图像处理、模式识别、多尺度非线性曲线计算技术，通过全新图像轮廓提取和非线性曲线演化方式从而推断出高温材料的断裂性能及行为；借助于高温材料断口图像并结合高温材料位移测量及图像演化计算分析高温下材料的断裂机理，从而实现快速、形象地表征高温金属材料力学性能。研究成果对现代核工业、航空航天、国防等领域具有重要应用价值。采用近年获得的两个发明专利，利用零厚度光栅与单镀层光栅制作技术，结合高温断裂试验的需求开展了既保持高温又能进行I/II复合型加载的高精度裂口位移测量的光测断裂试验方法探索研究，针对TC11钛合金、ZSGH4169高温合金两种航空发动机用材料，进行了常、高温断裂试验，借助先进的计算机图像处理、多尺度非线性曲线计算技术，获得了这些高温材料在多物理场下的启裂角、断裂承载力、应力强度因子等断裂性能及其随厚度变化的规律。采用Wachspress插值正六边形数学单元求解线弹性复杂裂纹问题。由于采用两套覆盖系统，数值流形方法可自然地显示裂纹面的不连续性，而且借助选择适当的覆盖系统可以精确地表达裂纹尖端的奇异性。通过互能积分法得到了裂尖的应力强度因子，应用此方法对典型裂纹问题进行了计算，结果表明基于蜂窝单元的数值流形方法对裂纹问题具有良好的精度和有效性。结合钛合金常、高温光测断裂试验，开展了应力强度因子、裂尖应力场和塑性区等有限元法数值计算，得到的TC11断裂韧性及其厚度效应与实验结果较为吻合。结合先进的数值信号处理和图像处理技术，开展了非线性曲线图像演化应用数学基础研究。研究了Kittipoom等人引入的切波框架存在的充分和必要条件、切波框架稳定性以及切波系数延迟等性质。借助连续切波变换给出了高阶平方可积函数的重建方程，以表征平方可积函数的奇异性，改进了已知的一些结果。研究了连续切波变换的高维奇异分析、切波变换在图像融合中的应用，为实现由二维图像序列重建三维图像中的融合与拼接方法研究提供关健基础技术。