基于数字图像相关方法的非接触高温热变形测量系统_潘兵

关键词: 高温; 数字图像相关方法; 热变形; 热膨胀系数; 非接触测 量
中图分类号: V 216. 4; O34
文献标识码: A
Abstract: A no vel non- contact hig h- temper ature ther mal deformat ion measuring sy stem that combines a trans-i
ex pansio n; non- co nt act measure
高速飞行器在超声速飞行时会出现严重的气
动加热现象。例如高速战机以高马赫数飞行时, 其表面驻点温度可达 500 , 而高超声速巡航导 弹弹翼前缘温度可超过 1 200 。由气动热产生 的高温会降低高速飞行器材料的强度极限和承载 能力, 使飞行器材料和结构产生热变形, 并将破坏 高速飞行器的气动外形从而影响其飞行安全。因
ex pansio n o f a chr omiumnickel austenit e stainless steel sample at t he temperature r ang e of 20- 550 is meas-
ured. T he r esults indicate t hat the pro po sed system can be used easily and quickly for the accurate ful-l f ield
获得变形信息。与之相比, 基于数字图像分析和 数值计算的 DIC 方法[ 6-10] 则更适合于高温变形场 的测量。早在 1996 年, J S L yo ns 等[ 4] 就将 DIC 方法与高温环境箱结合测量了铬镍铁超合金材料 在高 温 下 的 弹 性 模 量 和 热 膨 胀 系 数。 最 近, B P an 等[ 5] 将 DIC 方法与 自己设计的加热炉结 合建立了一种测量薄膜材料热膨胀系数的方法。 作为一 种基于 图像的 全场 变形光 学测量 方法, DIC 方法的测量过程简单、测量精度较高, 但其对 所分析的数字图像的质量要求较高。因此, 为避 免高温炉内空气受热不均匀而出现的折射率波动 影响所采集图像的质量, J S L yons 等[ 4] 在高温 炉内安 装了 风扇 使炉 内温 度保 持均 匀。此 外, J S L y ons 等[ 4] 的实验表明高温环境箱的观察窗 口所用光学玻璃的质 量对图像的质 量也会有影 响, 并最终会影响 DIC 方法的变形测量结果, 因 此建议采用价格较昂贵的高质量光学石英玻璃作 为高温环境箱的观察窗口。
瞬态气动热试验模拟系统由红外辐射加热装 置、温度传感器、温 度控制器和控制用计算机组 成。系统工作时, 由焊接在被测试样表面或背面
图 1 非接触高温变形测量 系统示意图 F ig 1 Schematic dr awing of the non- contact high- temperature deformat ion measur ing system
非接触式高温变形测量方法的研究己成为高 温实验力学的一个重要科研方向。例如, 为测量 超高温合金的力学性能, R V o lkl 等[ 1] 在哑铃型 标准拉伸试样的两侧边加 工了 4 个 尖角凸起标 记, 并利用角点提取算法精确自动跟踪 4 个尖角 标记变形后的位置来实现横向和纵向热变形的测 量。显而易见, 这种基于数字图像处理的方法只 能用于 4 个尖角标记内的平均变形测量, 对于非 均匀热变形则不适用。为了测量试样表面感兴趣 区域内的全场热变形, 可采用基于激光光波干涉 的云纹干涉法、电子散斑干涉法和基于数字图像 分析的数字图像相关( DIC) 方法。例如, 王国韬 等[ 2] 将大电流快速加热与云纹干涉法结合测量了 铝板的动态热变形。C Dudescu 等[ 3] 利用高灵敏 度的相移电子散斑干涉法测量了单向和双向碳纤 维增 强 板 不 同 方 向 的 热 变 形 和 热 膨 胀 系 数 ( CT E) 。尽管云纹干涉法和电子散斑干涉法的测 量精度非常高, 并具有测量结果直观可视的优点, 但这些方法的测量光路和制栅技术较为复杂且对 测量环境要求苛刻, 并且测量通常只能在实验室 暗室中的光学隔振平台上进行。此外, 测量结果 以条纹图的形式呈现, 需对条纹图进行分析才能
high- temperature thermal defo rmation measurement of aer ospace mater ials.
Key words: hig h- temper ature; dig ital imag e co rr elatio n t echnique; ther mal deformat ion; coefficient o f thermal
第 31 卷 第 10 期
2010 年
10 月
航空学报 ACT A A ERON A U T ICA ET A ST RO N AU T ICA SIN ICA
V ol 31 N o 10 Oct. 2010
文章编号: 1000- 6893( 2010) 10-1960- 08
基于数字图像相关方法的非接触 高温热变形测量系统
行器材料的高温变形以及高温力学性能, 对这些 材料和结构的可靠性评定、寿命预测以及安全设 计都有非常重要的意义。
在进行静、动态气动热模拟试验以及热- 载联 合试验时, 如何精确模拟高温环境以及如何精确 测量在高温环境下材料或结构表面由应力、热载 荷引起的变形是其中的两个关键问题。为模拟高 温环境, 已有文献[ 1-5] 多用高温环境箱、电阻丝加 热或大电流加热等方法。此外, 充惰性气体的高 温环境箱也有报道[ 1] , 但其价格极其昂贵。已有 的高温热变形测量技术可分为接触式和非接触式 两大类。接触式的高温变形测量方法有高温应变
此, 对高速飞行器材料和结构进行静、动态气动热 模拟试验以及热- 载联合试验以确定这些高速飞
收稿日期: 2009-12-30; 修订日期: 2010- 05-12 基金项目: 国家自然科学基金( 11002012) ; 汽车安全 与节能国 家
重点实验室开放基金( K F10041) 通讯作者: 潘兵 E- mail : panb@ bu aa. edu. cn
为对高速飞行器材料与结构的全场高温热变形 进行精确测量, 本文将 DIC 方法与基于红外辐射加 热装置和闭环控制的瞬态气动热试验模拟系统[ 11-12] 相结合, 建立了一种新的非接触高温变形测量系统。
1 高温热变形测量系统
所建立的高温热变形测量系统由放置在被测试 样背面的瞬态气动热试验模拟系统和放置在被测试 样正前方的图像采集系统组成, 如图 1 所示。
ent aerodynamic heat ing simulatio n device and the dig ital image co rr elation ( DIC) technique is pro posed fo r the
high- temperature thermal defo rmation measurement of str uctural materials used in hig h- speed v ehicles. A test
第 10 期
潘兵等: 基于数字图像相关方。但高温应变片和引伸计只能 测量标距范围内的平均热应变, 无法用于被测试 样表面的全场热变形测量, 此外与被测试样表面 直接接触的高温应变片和引伸计对被测材料有一 定的强化作用。相比之下, 非接触式的高温变形 测量方法可以克服接触式测量方法的缺点, 可在 不改变被测试样表面力学性能的情况下对试样表 面的高温变形进行测量。
摘 要: 为测定高速飞行器材料与结构的高温变 形, 将基于 图像的变 形测量的数 字图像相关 ( DIC) 方法与 基 于红外辐射加热装置和闭环控 制的瞬 态气 动热 试验模 拟系 统相结 合建 立了一 套非 接触 高温热 变形 测量 系
统。该系统通过瞬态气动热试验模拟系统中的红外辐射加热装置对被测试样施加快速和精确可控的热 载荷,
温度 加载范围从室温到 1 200 。在热加载过程中用数字摄像机记录不同温度下被测试样表面的 数字图像, 随后用 DIC 方法对这些记录的数字图像进行 分析, 从中 提取被 测试样表 面的全 场热变 形。为验证 该高温 变 形测量系统的性能, 测量了铬镍奥氏体不锈钢在 20~ 550 温度 范围内的 热变形和热 膨胀系数( CT E) , 结果 显示该系统可快速方便地对航空航天材料的全场高温热变形进行精确测量。
sample can be heated rapidly and accurat ely fr om r oom t em perat ur e up to 1 200 using the infrar ed radiator
of the tr ansient aerodynamic heating simulation dev ice, and the dig ital images o f the test sample surface at var -i
P an Bing , Wu Dafang, Gao Zhent ong
( Schoo l o f A eronautic Science and Engineer ing , Beijing U niv ersity of A ero nautics and A stro nautics, Beijing 100191, China)
潘兵, 吴大方, 高镇同
( 北京航空航天大学 航 空科学与工程学院, 北京 100191)
A Non-contact High- temperature Deformation Measuring System Based on Digital Image Correlation Technique
1962
航空学报
第 31 卷
的温度传感 器实时 采集 连续 变化 的温度 值, 信 号经过放大后送入 模/ 数( A/ D) 转 换器进行 模/ 数转换。将测量到的温度 值与设定温度 值进行 比较后将偏 差送入 控制 程序, 计 算机 通过控 制 算法对采样 数据进 行计 算得 到控 制量, 并经 过 数/ 模 ( D/ A) 转换器转 换成模 拟信号 后驱 动电 功率调节装 置, 调 节红 外辐 射加 热装 置上的 电 功率, 从而 实现被 测试 样表 面温 度设 定过程 的 自动控制。该系统采用闭环控制, 被测试样表面 的温度控制精度可达 0 1 。本文采用的瞬态气 动热试验模拟系统中石英红外辐射加热装置的波 长处于 2~ 5 m 之间, 辐射波长 与温度有关, 维 恩定律指出, 随着物体温度的增高, 对应于最大辐 射的波长向短波方向移动; 当石英红外辐射器的 波长在3~ 4 m之间时, 其透射能力最为突出, 本 装置可对各种航空航天材料实施快速加热以实现 气动加热环境模拟。与常用的高温环境箱相比, 瞬态气动热试验模拟系统的加热速度更快, 可达 100 / min。此外, 由于焊接在试件表面的热电 偶( K 型热电偶, 上海焱鑫合金制造有限公司, 使 用温度范围为- 200~ 1 200 , 在- 40~ 1 000 范围内的测试精度为 1 5 , 响应速度小 于 1 ms) 直接测量的是试样表面的温 度, 其热载荷也 更精确、稳定[ 11-12] 。