北航高速旋转叶片的变形检测方案

高速旋转叶片的变形测量
测试目标：
获得叶片在高速转动过程中的全场变形与应变分布。
解决方案：
4）可实现复杂结构或复杂荷重情形下的测试。
该技术目前主要被工业、企业、高校、军事单位和政府单位应用在材 料测试、碰撞实验、无损检测、振动分析、高速测量项目、有限元算 法验证、生物测试等众多领域。
背景
本报告将针对高速旋转叶片的变形测量和高温环境 下叶片的应变测量给出相应的技术方案，该方案的 基础均是基于三维数字图像相关实现。 对于高速旋转叶片的变形测量，拟采取相机的频 闪成像方法实现。
三维DIC的测量原理
物体三维形貌测量 的过程如右图所示：
物体变形前后的三 维形貌与变形的测 量过程如右图所示：
三维DIC的测量原理
测量过程：
• 被测物表面制斑：该斑点可用白基色加上轻微喷洒的黑点 形成在表面上； • 根据被测物对双CCD相机进行调整； • 双相机系统的标定：在被测物前放置用一块标准板，对系 统内参（焦距、主点、径向和横向畸变）和外参（相机位 置、物体坐标系统等）进行标定； • 三维形貌重构：采用匹配算法，对左右相机图像中的对应 点进行定位，再根据标定参数，即可重构出被测物的三维 形貌； • 三维变形计算：对不同变形状态下的三维形貌对应处理， 可得其三维变形及面内的应变分量。
对于高温环境下叶片的应变测量，拟采用在高温
炉环境下的加载系统来解决。
高温环境下的应变测量
测试目标：
通过在高温环境下叶片的单向准静态拉伸实验（荷 载为叶片旋转过程中产生的离心力），得到叶片全 场的应变分布，并根据该分布对叶片是否出现裂纹 以及裂纹出现的位置作出判断。
此外，有了应变场，还可以对叶片的断裂特性作出 分析与研究。
高温环境下的应变测量
解决方案如下：
对于高温环境下的叶片的应变测试，可采用普通三维DIC系统 实现： 1. 在高温炉环境下，用该采集一幅叶片初始图像； 2. 对叶片加载并采集变形后的图像； 3. 对上述一系列图像进行分析，得到叶片的面内应变场； 4. 判别裂纹是否已经出现并识别其所在位置，对裂纹将要出 现的位置进行预测—应变最大处。
高速旋转叶片的变形检测
——数字图像相关 解决方案 (DIC，digital image correlation)
背景
• 高速旋转叶片的变形测量；
随着当前我国工业技术的飞速发展，迫切需要研发具有自 主知识产权的发动机元件，因此对于发动机叶片等结构的 变形测量与力学特性分析具有及其重要的意义。
背景
因此，用电阻应变计测量高温条件下的应变时， 其精度比常温条件下差。
背景
2、光纤应变传感器
光纤应变传感器是一种用于检测物体应变的光纤传感器，它采用一根 光纤同时用于输入和输出光，且可和传感头分为二体，传感头采用一 张二侧分别贴有偏振膜和全反射膜的光弹膜片。该方法具有测量精度 高、使用方便等优点，适合于测量物体表面和内部的应变。 但是光纤光栅传感器对温度和应变都是敏感的，即温度、应力均能引 起布拉喇光栅中心波长的漂移，即交叉敏感。在进行应变测量时，很 多情况下往往忽略了温度的影响，因此在精确的测量中，需采用有效 手段来解决这个问题，尤其是在高温条件下进行的应变测量。
背景
• 高温环境下的应变测量；
当前在许多科技及工业部门，恶劣环境下的应变测量有着 日益广泛的需求和重要意义。特别是航空、航天、核工程 、化工和动力工程中很多机械、设备处于高温或低温下工 作，除解决材料本身的高低温强度问题外，还迫切需要进 行模型或材料在热（冷）态工况下的应力应变测量，尤其 是在高温环境中，测量条件较恶劣，因此，与常温下电阻 应变片的测量相比，存在着不小的难度。
4. 高温炉加载系统的设计。
三维DIC系统技术参数
• 全场三维形貌、位移、应变分量的测量 ；
• 面内位移测试精度可达0.02像素；
• 应变精度可达0.01％，即100微应变；
• 应变测量范围从0.01％到1000％以上 ；
• 自动标定；
• 强大的可视化数据处理工具 。
三维DIC的测量原理
基于双目摄像机的立体视觉原理：通过两个摄像 机中图像的对应点来重构被测物体的三维形貌。
高温环境下的应变测量
判别依据如下：
裂纹处的应变一般跟其他位置的应变不在一个量 级上；
应变是否已达到叶片材料的应变极限。
解决方案中的关键技术问题
对于高速、高温环境下的测试系统而言，如下几个 技术方面需要考虑：
1. 高温环境下叶片表面的制斑；
2. CCD相机成像质量问题（受高温影响较大）；
3. 双CCD相机的同步；
高速旋转叶片的变形测量（稳态运动）： 高速摄影成像法
用高速相机将叶片高速旋转 运动的过程拍摄下来，再对其进行变形分析。 优点：可测试非稳态运动；不足：对高速相机的帧率要求比较高，一般对 一个周期要采集到10个以上的运动时刻点，因此成本比较昂贵。
频闪成像法
对于稳态运动而言，当照明光源与运动频率一致时，物体的运动即可被冻 结，这时采集到的图像则近似为静止时刻的图像，然后对其进行后期变形 分析。 优点：只需用普通相机即可捕捉到物体稳态运动时的图像；不足：只能用 于稳态运动测量。
背景
3、应用数字图像相关技术测量
数字图像相关性技术利用专有的数学相关性算法来分析数字图像数据。 在测试过程中抓取连续的变形图像，得到在受到外部机械应力等影响 后表面所发生的改变。
1）很少受到周围环境的影响，是非接触式的应变测量方法；
2）测量误差小，准确性高，应用灵活； 3）可测量全场区域变形，方便识别出临界破坏点；
背景
高温环境下的应变测量方法有以下几种： 1、采用高温应变片进行测量； 2、光纤应变传感器；
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3、应用数字图像相关技术测量。
背景
1、采用高温应变片进行测量
现在已有适用于－270～800℃的各种类型的电阻 应变计和粘结剂。在高温条件下，应变计的热输 出常常超过所测的应变，故必须采取有效的补偿 方法。 但由于这种热输出的分散性大和重复性差，不能 做到完全补偿。此外，粘结剂的蠕变、绝缘电阻 的变化和敏感栅的氧化等，也会引起应变读数的 变化，加上灵敏系数随温度改变，及其测量的误 差，都会影响应变测量的准确性。