时变热辐射环境下高温合金蜂窝板三维热变形测量

轻质、高强和隔热性能优良的蜂窝合金板结构已广泛用于航空航天领域,其在模拟瞬态气动热环境下的热变形是高速飞行器热防护结构设计的重要参数之一.首先,用自行研制的红外辐射瞬态气动热实验模拟系统模拟与其服役环境类似的时变热辐射环境,用新型"主动成像"三维数字图像相关(3D-DIC)测量方法对高温合金蜂窝板结构试件在时变热辐射环境下不同时刻的三维热变形进行了测量.其次,为保证三维数字图像相关测量方法能有效实施,提出一种制作稳定的大面积高温散斑新方法,该方法制作的高温散斑能在整个实验过程中保持稳定,可作为高温变形的有效载体.最后,用Hoff等效刚度理论计算高温合金蜂窝板在稳态时的最大翘曲位移.研究结果表明:210 mm×210 mm的高温合金蜂窝板在单侧面辐射加热条件下其面内变形为均匀热变形,而离面变形为轴对称的翘曲变形,在900℃时其最大离面翘曲位移约为1.6 mm;Hoff等效刚度理论计算结果与实验结果相吻合.

面向飞行器的高温数字图像相关方法研究现状及展望

飞行器在服役中面临着严酷的高温环境,飞行器构件高温力学性能的研究对于其结构设计与可靠性保障十分重要。数字图像相关方法作为一种常用的非接触式光学测量方法,具有测量精度高、环境要求低、全场测量等优势,但在高温环境下的测量仍存在诸多技术难题。本文针对高温导致的退相关现象、热流扰动消除、高温散斑制备技术、力热解耦困难及特殊场景下光路遮挡受限等问题技术难题介绍了对应的改进方法,总结了国内外研究人员的优化思路与解决方案,最后针对飞行器力热参数测量需求,对高温数字图像相关方法的技术发展趋势进行展望。

基于数字图像的高温光学变形测量方法研究

随着航空航天飞行器的高速发展,高温结构件变形准确测量变得愈发重要,而传统光学测量方法在超高温下面临图像纹理模糊、灰度集中的问题,散斑稳定存在与图像稳定采集可以有效提升应变测量精度。使用等离子喷涂金属钨粉末的方法,实现了2600℃散斑的稳定存在能力;对比金属钨与碳纤维材料在可见光范围内的黑体辐射强度,表明其在450nm处辐射差异明显,可以产生明暗的散斑纹理;使用了带通滤光片、线性偏振片和减光片抑制强烈的辐射光源和无关光污染,表明其可适用于超高温下的图像采集;使用改进的灰度均匀化方法解决超高温下灰度信息不明显的问题;通过高温2600℃拉伸试验进行比较测量,结果表明,本文提出方法所测得变形应变信息与等效引伸计相比较基本一致,弹性阶段内,两种方法的平均应变偏差小于200με。通过对同一批次加工的多个试件的重复测量可知,提出方法的多次测量平均偏差小于100με。最后,在110℃下进行蠕变试验,使用了高温喷漆和线性滤光片测得3D打印高分子材料在高温下的蠕变行为,验证了所提出方法在高温蠕变方面的精度和有效性。

高强钢薄板高温焊接变形的视觉测量

为了实现高强钢薄板高温焊接条件下屈曲变形的准确测量,基于数字图像处理技术、立体视觉原理及数字图像相关法,提出一种高强钢薄板全场动态焊接变形的视觉测量技术,并以规则散斑图像的高精度匹配方法研究为基础,将其应用到焊接图像中。针对焊接高温导致的散斑纹理的变色或脱落,采用高温漆与高温胶混合涂布的方式,获得了低成本、高稳定性的散斑纹理。选择薄板背侧进行测量以及在相机镜头前加装滤光片组的方法,抑制焊接过程中的强光、火花及烟雾的干扰。采用高斯平滑的数字图像处理技术,寻找最佳滤波参数并应用到焊接图像中,在保证测量精度的前提下提高了图像匹配的成功率及精度。实验结果表明,该方法能够有效地降低焊接图像匹配的均值误差、均方根误差及Z向静态均值误差,均值误差最大降幅为78.6%,均方误差最大降幅为47.7%,Z向静态均值误差降幅为37.9%。本文的方法和系统可以满足焊接高温条件下薄板屈曲变形的全场应变测量要求,散斑纹理稳定,散斑图像匹配成功率高、稳定性好,是薄板全场动态焊接变形检测的有效途径。

小幅面高温焊缝变形的数字图像相关测量

针对电弧焊接下钢板焊缝区小幅面测量时的环境光干扰、散斑脱落等问题,本文提出了一种基于窄通滤波、改进的数字图像相关法和高斯低通滤波技术等原理的非接触式变形测量方法。此方法用数字图像光学测量方法解决了接触式测量设备不耐高温的弊端;用哑光灰色高温胶、黑色高温漆配合制成有效的耐高温散斑。为减小环境光的干扰,在硬件方面安装可滤黄光的窄通滤波片;在算法方面,在数字图像相关法匹配公式中引入两个光补偿系数;结合高斯低通滤波技术对强光区域进行高频去噪,通过增量插值测试得到最佳的滤波截止频率,并对滤波后的图像进行定位移对比实验,验证了高斯低通滤波能有效提高数字图像相关法的匹配精度。本文所提测量方法通过两组实验进行对比,首先与普通处理的实验测量结果对比,匹配过程稳定且云图质量较好。其次与已验证过精度的大幅面实验结果对比,所选两点的测量精度最低为1%,具有较高的匹配精度。最终测出焊缝中心线的最大位移为1.23 mm。从对比实验结果可知:本文测量方法能够有效对小幅面高温焊缝图像进行测量与匹配分析,且理论上精度更高。

基于数字散斑相关法的材料高温性能测试

随着航空航天技术的发展,材料高温条件下力学特性的研究也越发的重要。研究采用非接触数字散斑相关技术来测量材料高温条件下的弹性模量。研究中首次利用光纤激光器在试件表面刻蚀出大小均匀,对比度高的高温散斑;运用计算机辅助散斑干涉技术(CASI)对试件拉伸过程中的散斑图像进行计算分析,得到全场位移和应变变化,继而得到试样拉伸过程中的应力-应变曲线。为了验证结果的准确性,在常温下与引伸计的结果进行了对比,并运用该方法对高温条件下纯钛的力学特性进行了研究。

高温焊接变形视觉测量方法与实验研究

针对材料高温焊接变形测量,设计由松下焊接机器人、红外热成像仪和三维数字散斑应变测量及分析系统组成的一套双目视觉测量装置。制备一种耐高温数字散斑试样以解决图像“弱相关现象”问题;由于焊接高温产生热辐射,研究了高温热辐射光谱规律,采用(400~760)nm波段的滤光片,降低热辐射对图像质量的影响,获得清晰图像;采用数字图像相关法,通过三维数字散斑应变测量及分析系统,对Q235B低碳钢焊接时的形变进行了测量。实验结果表明,钢板在焊接过程中最高温度达到1100℃,焊缝区的变形量为2.58mm,非焊缝区变形呈逐渐减小趋势,冷却后试件最大变形量变形为0.78mm。为材料高温变形,提供了一种双目视觉测量方法。

基于数字图像相关方法的SiCf/SiC陶瓷基复合材料力学行为表征

SiCf/SiC陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、高比强度等优异特性,是新一代先进航空发动机热端部件的理想材料。为实现SiCf/SiC复合材料在服役环境下的可靠应用,亟须开展复合材料力学行为表征研究。与引伸计、应变片等其他测试方法相比,数字图像相关方法(digital image correlation,DIC)具有非接触式、全场测量和可操作性强等优点,能够实现对复杂耦合环境下复合材料损伤断裂等力学行为的原位表征,因而受到广泛关注。本文系统梳理和总结DIC在SiCf/SiC复合材料室温拉伸、弯曲、爆破等力学测试中的应用进展,介绍DIC在SiCf/SiC复合材料力学加载过程的高温测量,最后对应用于SiCf/SiC复合材料的DIC表征技术进行了总结及展望。