分享：基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的大尺寸葉片動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量

葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件之一,其工作環(huán)境非常復(fù)雜,因振動(dòng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞是葉片主要的失效形式之一[1-2]。葉片結(jié)構(gòu)的振動(dòng)疲勞特性嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性。因此,對(duì)葉片振動(dòng)疲勞的研究是必不可少的。測(cè)試葉片振動(dòng)疲勞性能主要依據(jù)HB 5277-1984 《發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及材料振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法》 標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試最關(guān)鍵的一步是準(zhǔn)確確定被測(cè)物體試驗(yàn)狀態(tài)下的最大應(yīng)力(應(yīng)變)位置。通常,采用有限元計(jì)算和電阻應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的應(yīng)力分布測(cè)量和應(yīng)力標(biāo)定。首先,通過(guò)有限元建模計(jì)算得到試樣的應(yīng)力分布,確定試樣在振動(dòng)條件下的應(yīng)力場(chǎng)分布及最大應(yīng)力位置；再通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行實(shí)測(cè),確定最大應(yīng)力的位置及大小。在葉片上安裝應(yīng)變片,通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳遞信號(hào),會(huì)使葉片上產(chǎn)生附加質(zhì)量,影響葉片的振動(dòng)特性和應(yīng)力分布。傳統(tǒng)測(cè)量方法通常采用單向應(yīng)變片,為了保證測(cè)量精度,對(duì)應(yīng)變片敏感柵尺寸有嚴(yán)格的要求,對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的葉片,其振動(dòng)時(shí)表面應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜,傳統(tǒng)測(cè)量方法難以保證測(cè)量方向與最大主應(yīng)力方向一致,從而影響了葉片疲勞性能的測(cè)試精度[3]。而有限元的計(jì)算模擬并不能完全反映樣本的形貌和裝夾差異,兩者相結(jié)合時(shí)會(huì)不可避免地引入系統(tǒng)性誤差。綜上所述,傳統(tǒng)有限元計(jì)算和電阻應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法存在一定的局限性,會(huì)影響振動(dòng)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。 

數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)是一種三維（3D）,全場(chǎng),無(wú)接觸測(cè)量任何材料物體輪廓、位移、振動(dòng)和應(yīng)變的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量方法的原理是利用數(shù)碼相機(jī)或是光電攝像機(jī)采集被測(cè)物體表面變形前后的圖像,并將圖像輸入計(jì)算機(jī)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像,然后對(duì)于選定的圖像區(qū)域進(jìn)行相關(guān)匹配的計(jì)算,再根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出圖像上像素點(diǎn)的位移[4],最后依照標(biāo)定像素當(dāng)量的結(jié)果得到被測(cè)物體的實(shí)際變形量。DIC可用于測(cè)量物體的表面變形,其具有無(wú)須與材料接觸、適用于任何剛度材料的變形測(cè)試、全程跟蹤試樣變形、量程大、測(cè)試適應(yīng)性小、有利于驗(yàn)證理論對(duì)變形場(chǎng)分析有效性等優(yōu)點(diǎn)[5-6]。陳亞軍等[7]介紹了3D-DIC在常規(guī)力學(xué)測(cè)試中的應(yīng)用,對(duì)比分析了3D-DIC、傳統(tǒng)引伸計(jì)測(cè)試結(jié)果和有限元模擬的結(jié)果,驗(yàn)證了3D-DIC技術(shù)的可行性,并介紹了高溫散斑的制作以及該技術(shù)的最新進(jìn)展和難點(diǎn)。荊甫雷等[8]設(shè)計(jì)了針對(duì)渦輪葉片專(zhuān)用的試驗(yàn)裝置,并進(jìn)行高溫振動(dòng)試驗(yàn),對(duì)比分析了接觸式和非接觸式以及有限元仿真技術(shù)在大梯度應(yīng)力、溫度場(chǎng)下的測(cè)試精度,驗(yàn)證了非接觸式測(cè)試技術(shù)的適應(yīng)性和有效性。褚玉龍等[9]利用疲勞試驗(yàn)和DIC非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量的方法,探究了GH2036鐵基高溫合金y方向應(yīng)變-疲勞壽命比的云圖,直觀(guān)地分析了合金的疲勞失效過(guò)程。陳新等[10]應(yīng)用3D-DIC方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)用TC17超高頻試樣進(jìn)行了應(yīng)力標(biāo)定,獲得了不同振幅條件下的應(yīng)變-時(shí)間曲線(xiàn),再與電阻應(yīng)變計(jì)法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,獲得了良好的結(jié)果一致性。到目前為止,DIC法己基本形成了一套較為系統(tǒng)的理論,并廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、水利工程、航天工程以及生物工程等領(lǐng)域[11]。 

筆者以某型大尺寸葉片為研究對(duì)象,在葉片振動(dòng)條件下,采用DIC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變的非接觸測(cè)量,同時(shí)利用電阻應(yīng)變計(jì)進(jìn)行測(cè)量,對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,為葉片振動(dòng)疲勞應(yīng)變測(cè)試提供了數(shù)據(jù)支撐。 

1.   大尺寸葉片動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量

將某型大尺寸葉片用專(zhuān)用夾具通過(guò)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)裝夾輔助工裝剛性安裝在電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)水平滑臺(tái)上,試驗(yàn)方向?yàn)樗椒较?。利用激光位移傳感器?duì)葉片進(jìn)行振幅測(cè)量,結(jié)合振動(dòng)控制儀實(shí)現(xiàn)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)的閉環(huán)控制,測(cè)試面為葉背。 

在振動(dòng)疲勞試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)DIC動(dòng)態(tài)全場(chǎng)三維應(yīng)變測(cè)試儀測(cè)量葉背表面的動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變,使用高速相機(jī)和定焦鏡頭,使用VIC-Snap軟件采集標(biāo)定圖片和振動(dòng)試驗(yàn)下的散斑圖片,使用VIC-3D軟件進(jìn)行標(biāo)定和分析。筆者以葉背理論最大應(yīng)力點(diǎn)為中心,在距離為30 mm處安裝9枚電阻應(yīng)變片,連接橋盒,通過(guò)Coda應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)測(cè)量葉背處的應(yīng)變。 

1.1   非接觸式測(cè)量

選用試樣為大尺寸葉片,使用自噴漆罐為葉片的葉背噴涂白色啞光底漆,使用滾筒和與散斑相同大小的記號(hào)筆在底漆上制作散斑。在試樣表面制作散斑的步驟尤其重要,此步驟可以為分析區(qū)域提供良好的特征,保證正確的散斑位移追蹤直接關(guān)系到標(biāo)定時(shí)的不確定度,以及散斑照片的質(zhì)量。為了避免形成反光并且有較好的對(duì)比度,使用的白色底漆與黑色散斑漆同為啞光漆,白色底漆覆蓋均勻,黑色散斑清楚無(wú)涂抹。同時(shí),拍攝一組靜止照片進(jìn)行觀(guān)察,散斑點(diǎn)的大小需有較好的一致性,放大觀(guān)察后散斑點(diǎn)的大小應(yīng)占5~10個(gè)像素點(diǎn),否則容易造成分析時(shí)的混淆。照片視野中,散斑在白色底漆上應(yīng)有50%的覆蓋率,因此需要兩散斑的點(diǎn)間距與散斑點(diǎn)的大小一致。為了避免錯(cuò)誤匹配,試樣表面制作的散斑應(yīng)具有隨機(jī)性,因此不要制作大面積復(fù)制的散斑圖案。葉片散斑制作結(jié)果如圖1所示。 

圖  1  葉背散斑制作結(jié)果

正式試驗(yàn)開(kāi)始前,對(duì)DIC系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),對(duì)大尺寸葉片進(jìn)行標(biāo)定。選擇具有可識(shí)別既定尺寸點(diǎn)功能的標(biāo)定板,建立坐標(biāo)系并識(shí)別空間尺寸,修正鏡頭引起的光學(xué)畸變。標(biāo)定結(jié)果用于確定相機(jī)距離、角度等參數(shù),并在結(jié)果中生成不確定度,不確定度小于0.04被認(rèn)為是合理的標(biāo)定不確定度范圍[12]。搭建DIC三維動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)主要包括三腳架、兩臺(tái)無(wú)頻閃LED（發(fā)光二級(jí)管）光源、標(biāo)定組件、散斑制作工具、VIC-Snap圖像采集系統(tǒng)和VIC-3D圖像處理系統(tǒng)等。打開(kāi)圖像采集系統(tǒng)軟件,保證軟件中兩臺(tái)相機(jī)視野能獲得大尺寸葉片葉背視角下的最大面積,散斑面積占視野的60%~70%。使用等效焦距為50 mm的定焦鏡頭,鏡頭的攝像角度為46°,最近對(duì)焦距離為0.45 m,光圈值F為1.8~22,光圈孔徑=焦距/F,F越小,進(jìn)光量越多,因此要避免使用最大光圈和最小光圈。設(shè)置軟件參數(shù),為了保證采集照片的清晰度,需架設(shè)無(wú)頻閃LED白光光源,選用F為8的光圈,以獲得最佳畫(huà)質(zhì)。采用的分辨率為2 048像素×1 952像素。大尺寸葉片的一階振動(dòng)頻率較低,因此選用幀率為1 000 幀/s來(lái)采集照片,使應(yīng)變曲線(xiàn)平滑。調(diào)整光圈,使視野中散斑圖像清晰,且擁有較低的不確定度。要保證大尺寸葉片在視野中更清晰,需要在開(kāi)啟相機(jī)和采集軟件的前提下,對(duì)照視野畫(huà)幅調(diào)整相機(jī)的位置和角度。相機(jī)布置情況如圖2所示。 

圖  2  相機(jī)布置情況示意

在標(biāo)定過(guò)程中,使用參數(shù)信息已確定的編碼型標(biāo)定板,采集的標(biāo)定照片中,標(biāo)定板上所有的點(diǎn)將會(huì)被自動(dòng)提取。標(biāo)定結(jié)束后,每一張標(biāo)定圖像都會(huì)有對(duì)應(yīng)的分值,即照片中標(biāo)定板提取點(diǎn)的位置與數(shù)學(xué)校正模型上點(diǎn)的理論位置之間的平均誤差,計(jì)算的校正結(jié)果包含置信區(qū)間。試驗(yàn)采用點(diǎn)距為28 mm的標(biāo)定板,標(biāo)定過(guò)程中,標(biāo)定板緊貼視野中散斑位置,使用無(wú)頻閃光源傾斜且直接照射于散斑表面,以提高成像質(zhì)量,并避免形成反光。調(diào)整曝光度參數(shù)略高于正式試驗(yàn)時(shí)拍攝散斑照片的曝光度。開(kāi)始采集標(biāo)定照片時(shí),變化標(biāo)定板各方向的傾斜角度,通過(guò)軟件采集30~50組標(biāo)定照片,標(biāo)定誤差需小于分析軟件中設(shè)定的不確定度,標(biāo)定報(bào)告中高速相機(jī)夾角應(yīng)為15°~60°。標(biāo)定完成后不應(yīng)再調(diào)整相機(jī)及光源的位置,調(diào)整曝光度低于標(biāo)定時(shí)的曝光度,使圖像中的散斑清晰,且不會(huì)形成拖影。采集標(biāo)定圖片時(shí)曝光率為300 μs,采集散斑照片時(shí)曝光率為150 μs。 

在一階彎曲共振狀態(tài)下開(kāi)始試驗(yàn),通過(guò)激光位移傳感器和控制儀來(lái)控制測(cè)定點(diǎn)的振幅,在相同振幅條件下采集散斑照片,使用VIC-3D軟件進(jìn)行標(biāo)定和分析。 

1.2   電阻應(yīng)變計(jì)法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證三維 DIC測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,同時(shí)采用DIC方法和基于電阻應(yīng)變計(jì)的電測(cè)法開(kāi)展對(duì)比驗(yàn)證研究。將應(yīng)變片安裝在被測(cè)物體表面,并通過(guò)電纜連接到測(cè)量放大器。如果應(yīng)變片被壓縮,其電阻會(huì)減小。如果應(yīng)變片被拉伸,其電阻會(huì)增大。原因是當(dāng)測(cè)量柵絲被拉伸時(shí),電流通過(guò)的導(dǎo)體變細(xì),導(dǎo)致電阻增大,通過(guò)電阻的變化可以確定應(yīng)變片上的應(yīng)變。 

試驗(yàn)以葉背理論最大應(yīng)力點(diǎn)為中心,距離為30 mm,安裝3行3列共9片電阻應(yīng)變片,測(cè)量葉片展向應(yīng)變,電阻應(yīng)變計(jì)采用橋盒半橋連接進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過(guò)電磁振動(dòng)臺(tái)激勵(lì)葉片,利用Coda應(yīng)變測(cè)試分析系統(tǒng)采集y方向的應(yīng)變,進(jìn)而測(cè)得應(yīng)變。試驗(yàn)采用的應(yīng)變片為單向柵型應(yīng)變片,敏感柵尺寸（長(zhǎng)度×寬度）為2.0 mm×2.2 mm,安裝位置如圖3所示,應(yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖4所示。 

圖  3  應(yīng)變片安裝位置示意

圖  4  應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意

2.   試驗(yàn)結(jié)果

使用DIC動(dòng)態(tài)全場(chǎng)三維應(yīng)變測(cè)試儀對(duì)葉背進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量,獲得的y方向應(yīng)變分布云圖及應(yīng)變測(cè)量結(jié)果分別如圖5,6所示。 

圖  5  DIC系統(tǒng)y方向應(yīng)變分布云圖

圖  6  DIC系統(tǒng)應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

通過(guò)電阻應(yīng)變計(jì)及Coda應(yīng)變測(cè)試儀測(cè)試,在同一應(yīng)力水平下,試驗(yàn)開(kāi)始階段應(yīng)變測(cè)量結(jié)果如圖7所示,其中22號(hào)電阻應(yīng)變片位置為理論最大應(yīng)變點(diǎn)位置。 

圖  7  電阻應(yīng)變計(jì)試驗(yàn)開(kāi)始階段應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

3.   結(jié)果分析

3.1   DIC測(cè)量值與電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量值對(duì)比

DIC測(cè)量值與電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量值的對(duì)比結(jié)果如表1所示。由表1可知：試驗(yàn)采集的葉背應(yīng)變點(diǎn)位共9個(gè),DIC測(cè)量值與電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量值的誤差小于5%的點(diǎn)位有8個(gè),21號(hào)點(diǎn)誤差較大,為6.72%。兩種測(cè)試方法獲得結(jié)果的一致性較好。 

3.2   與理論應(yīng)變的對(duì)比

將DIC測(cè)量值、電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量值與理論應(yīng)變進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表2所示。由表2可知：DIC測(cè)量值與理論應(yīng)變的誤差大于5%的點(diǎn)位僅有1個(gè),且DIC測(cè)量值與理論應(yīng)變的誤差均小于電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量值與理論應(yīng)變的誤差；DIC測(cè)量值與電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量值都小于理論應(yīng)變,除18號(hào)點(diǎn)位的DIC測(cè)量值誤差偏大,其他點(diǎn)位三者趨勢(shì)大致相同。由此可得,相較于電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量法,基于DIC的動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量方法可以更精確地獲取葉片在振動(dòng)條件下的振動(dòng)應(yīng)變分布和最大應(yīng)變點(diǎn)。 

4.   結(jié)論

（1）以大尺寸葉片為研究對(duì)象,基于DIC技術(shù),對(duì)葉片動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)量,同時(shí)采用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,兩者測(cè)量結(jié)果具有較高的一致性,進(jìn)而驗(yàn)證了DIC技術(shù)在大尺寸葉片振動(dòng)疲勞試驗(yàn)非接觸變形測(cè)量中應(yīng)用的可行性。 

（2）將計(jì)算求得的理論應(yīng)變分別與DIC測(cè)量值、電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩種方法測(cè)量值與理論應(yīng)變的誤差均小于5%,且DIC測(cè)量值更接近理論應(yīng)變。說(shuō)明基于DIC的動(dòng)態(tài)全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量方法可以更精確地獲取葉片在振動(dòng)條件下的振動(dòng)應(yīng)變分布和最大應(yīng)變點(diǎn)。

1. 文章來(lái)源——材料與測(cè)試網(wǎng)