北航高速旋转叶片的变形检测方案

高温环境下叶片的变形检测——数字图像相关解决方案(DIC，digitalimagecorrelation)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。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；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。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；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。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；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。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。高速旋转叶片的变形检测——数字图像相关解决方案(DIC，digitalimagecorrelation)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。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：拟采用频闪相机实现频闪成像，结合三维DIC系统，得到叶片稳态运动周期内不同时刻下的全场变形分布。高速旋转叶片的变形测量一般频闪成像法的测量原理用下图所示：对于稳态运动，当物体运动频率与频闪照明频率完全一致，则由普通摄像机采集到的就是物体“准静态”时的图像，即实现了运动过程的冻结。高速旋转叶片的变形测量前面介绍的频闪成像是通过频闪光源来实现的，然而其对于频闪光源有较高的要求，且需要精确控制其相移精度。因此，本方案中拟采用的频闪成像是基于相机的频闪来实现的。相机的频闪原理如下图所示：假设叶片运动频率3000rpm（即50rps），即周期为20ms，控制相机的曝光时间为0.02ms，然后进行曝光得到一幅图像，由于一幅图像的灰度很低，可通过控制相机的精确延时再进行曝光，根据得到的一系列图像可得到满足灰度要求的图像。高速旋转叶片的变形测量解决方案如下：1.采集一幅静止的叶片图像作参考图像；2.控制相机曝光与延时得到叶片某个运动时刻的图像；3.控制相机的延时（即相移量），得到不同时刻叶片的一系列图像；4.进行分析计算，得到叶片在运动周期内不同时刻下的变形与应变分布。测量案例•评估有机玻璃面板撞击的过程。•挑战：玻璃面板在撞击过程中会发生快速和大的位移，这使之很难精确测量，任何与面板接触的传感器都会存在猛烈的加速度，可能损坏传感器并影响面板的运动。裂纹的确切位置是无法预测的，即使在有预见的情况下，传统的测量方法也不可能测量裂纹路径。测量案例•VIC-3D提供一个高速测量的解决方案：以每秒10,000帧的帧率捕捉图像，这些图像可以自动处理，以提供面板整个表面的应变和位移数据。•位移数据清楚的表现出面板•可以测量裂纹扩展和永久变形的应变。形变剪应变