分享：基于数字图像相关技术的大尺寸叶片动态全场应变测量

叶片是航空发动机的主要零部件之一,其工作环境非常复杂,因振动导致结构疲劳破坏是叶片主要的失效形式之一[1-2]。叶片结构的振动疲劳特性严重影响发动机的安全性和可靠性。因此,对叶片振动疲劳的研究是必不可少的。测试叶片振动疲劳性能主要依据HB 5277-1984 《发动机叶片及材料振动疲劳试验方法》 标准,测试最关键的一步是准确确定被测物体试验状态下的最大应力(应变)位置。通常,采用有限元计算和电阻应变计实测相结合的方式进行振动疲劳试验的应力分布测量和应力标定。首先,通过有限元建模计算得到试样的应力分布,确定试样在振动条件下的应力场分布及最大应力位置；再通过电阻应变计进行实测,确定最大应力的位置及大小。在叶片上安装应变片,通过导线传递信号,会使叶片上产生附加质量,影响叶片的振动特性和应力分布。传统测量方法通常采用单向应变片,为了保证测量精度,对应变片敏感栅尺寸有严格的要求,对于几何形状复杂的叶片,其振动时表面应力状态复杂,传统测量方法难以保证测量方向与最大主应力方向一致,从而影响了叶片疲劳性能的测试精度[3]。而有限元的计算模拟并不能完全反映样本的形貌和装夹差异,两者相结合时会不可避免地引入系统性误差。综上所述,传统有限元计算和电阻应变计实测相结合的方法存在一定的局限性,会影响振动疲劳试验数据的准确性和可靠性。 

数字图像相关（DIC）技术是一种三维（3D）,全场,无接触测量任何材料物体轮廓、位移、振动和应变的光学测量系统。该测量方法的原理是利用数码相机或是光电摄像机采集被测物体表面变形前后的图像,并将图像输入计算机并转换为数字图像,然后对于选定的图像区域进行相关匹配的计算,再根据计算结果得出图像上像素点的位移[4],最后依照标定像素当量的结果得到被测物体的实际变形量。DIC可用于测量物体的表面变形,其具有无须与材料接触、适用于任何刚度材料的变形测试、全程跟踪试样变形、量程大、测试适应性小、有利于验证理论对变形场分析有效性等优点[5-6]。陈亚军等[7]介绍了3D-DIC在常规力学测试中的应用,对比分析了3D-DIC、传统引伸计测试结果和有限元模拟的结果,验证了3D-DIC技术的可行性,并介绍了高温散斑的制作以及该技术的最新进展和难点。荆甫雷等[8]设计了针对涡轮叶片专用的试验装置,并进行高温振动试验,对比分析了接触式和非接触式以及有限元仿真技术在大梯度应力、温度场下的测试精度,验证了非接触式测试技术的适应性和有效性。褚玉龙等[9]利用疲劳试验和DIC非接触全场应变测量的方法,探究了GH2036铁基高温合金y方向应变-疲劳寿命比的云图,直观地分析了合金的疲劳失效过程。陈新等[10]应用3D-DIC方法对发动机用TC17超高频试样进行了应力标定,获得了不同振幅条件下的应变-时间曲线,再与电阻应变计法的测量结果进行对比,获得了良好的结果一致性。到目前为止,DIC法己基本形成了一套较为系统的理论,并广泛应用于机械工程、水利工程、航天工程以及生物工程等领域[11]。 

笔者以某型大尺寸叶片为研究对象,在叶片振动条件下,采用DIC系统实现动态全场应变的非接触测量,同时利用电阻应变计进行测量,对结果进行对比,为叶片振动疲劳应变测试提供了数据支撑。 

1.   大尺寸叶片动态全场应变测量

将某型大尺寸叶片用专用夹具通过振动疲劳试验装夹辅助工装刚性安装在电动振动台水平滑台上,试验方向为水平方向。利用激光位移传感器对叶片进行振幅测量,结合振动控制仪实现振动疲劳试验的闭环控制,测试面为叶背。 

在振动疲劳试验过程中,通过DIC动态全场三维应变测试仪测量叶背表面的动态全场应变,使用高速相机和定焦镜头,使用VIC-Snap软件采集标定图片和振动试验下的散斑图片,使用VIC-3D软件进行标定和分析。笔者以叶背理论最大应力点为中心,在距离为30 mm处安装9枚电阻应变片,连接桥盒,通过Coda应变测试分析系统测量叶背处的应变。 

1.1   非接触式测量

选用试样为大尺寸叶片,使用自喷漆罐为叶片的叶背喷涂白色哑光底漆,使用滚筒和与散斑相同大小的记号笔在底漆上制作散斑。在试样表面制作散斑的步骤尤其重要,此步骤可以为分析区域提供良好的特征,保证正确的散斑位移追踪直接关系到标定时的不确定度,以及散斑照片的质量。为了避免形成反光并且有较好的对比度,使用的白色底漆与黑色散斑漆同为哑光漆,白色底漆覆盖均匀,黑色散斑清楚无涂抹。同时,拍摄一组静止照片进行观察,散斑点的大小需有较好的一致性,放大观察后散斑点的大小应占5~10个像素点,否则容易造成分析时的混淆。照片视野中,散斑在白色底漆上应有50%的覆盖率,因此需要两散斑的点间距与散斑点的大小一致。为了避免错误匹配,试样表面制作的散斑应具有随机性,因此不要制作大面积复制的散斑图案。叶片散斑制作结果如图1所示。 

图  1  叶背散斑制作结果

正式试验开始前,对DIC系统进行校准,对大尺寸叶片进行标定。选择具有可识别既定尺寸点功能的标定板,建立坐标系并识别空间尺寸,修正镜头引起的光学畸变。标定结果用于确定相机距离、角度等参数,并在结果中生成不确定度,不确定度小于0.04被认为是合理的标定不确定度范围[12]。搭建DIC三维动态全场应变测量系统,该系统主要包括三脚架、两台无频闪LED（发光二级管）光源、标定组件、散斑制作工具、VIC-Snap图像采集系统和VIC-3D图像处理系统等。打开图像采集系统软件,保证软件中两台相机视野能获得大尺寸叶片叶背视角下的最大面积,散斑面积占视野的60%~70%。使用等效焦距为50 mm的定焦镜头,镜头的摄像角度为46°,最近对焦距离为0.45 m,光圈值F为1.8~22,光圈孔径=焦距/F,F越小,进光量越多,因此要避免使用最大光圈和最小光圈。设置软件参数,为了保证采集照片的清晰度,需架设无频闪LED白光光源,选用F为8的光圈,以获得最佳画质。采用的分辨率为2 048像素×1 952像素。大尺寸叶片的一阶振动频率较低,因此选用帧率为1 000 帧/s来采集照片,使应变曲线平滑。调整光圈,使视野中散斑图像清晰,且拥有较低的不确定度。要保证大尺寸叶片在视野中更清晰,需要在开启相机和采集软件的前提下,对照视野画幅调整相机的位置和角度。相机布置情况如图2所示。 

图  2  相机布置情况示意

在标定过程中,使用参数信息已确定的编码型标定板,采集的标定照片中,标定板上所有的点将会被自动提取。标定结束后,每一张标定图像都会有对应的分值,即照片中标定板提取点的位置与数学校正模型上点的理论位置之间的平均误差,计算的校正结果包含置信区间。试验采用点距为28 mm的标定板,标定过程中,标定板紧贴视野中散斑位置,使用无频闪光源倾斜且直接照射于散斑表面,以提高成像质量,并避免形成反光。调整曝光度参数略高于正式试验时拍摄散斑照片的曝光度。开始采集标定照片时,变化标定板各方向的倾斜角度,通过软件采集30~50组标定照片,标定误差需小于分析软件中设定的不确定度,标定报告中高速相机夹角应为15°~60°。标定完成后不应再调整相机及光源的位置,调整曝光度低于标定时的曝光度,使图像中的散斑清晰,且不会形成拖影。采集标定图片时曝光率为300 μs,采集散斑照片时曝光率为150 μs。 

在一阶弯曲共振状态下开始试验,通过激光位移传感器和控制仪来控制测定点的振幅,在相同振幅条件下采集散斑照片,使用VIC-3D软件进行标定和分析。 

1.2   电阻应变计法验证

为了验证三维 DIC测量结果的准确性,同时采用DIC方法和基于电阻应变计的电测法开展对比验证研究。将应变片安装在被测物体表面,并通过电缆连接到测量放大器。如果应变片被压缩,其电阻会减小。如果应变片被拉伸,其电阻会增大。原因是当测量栅丝被拉伸时,电流通过的导体变细,导致电阻增大,通过电阻的变化可以确定应变片上的应变。 

试验以叶背理论最大应力点为中心,距离为30 mm,安装3行3列共9片电阻应变片,测量叶片展向应变,电阻应变计采用桥盒半桥连接进行温度补偿。通过电磁振动台激励叶片,利用Coda应变测试分析系统采集y方向的应变,进而测得应变。试验采用的应变片为单向栅型应变片,敏感栅尺寸（长度×宽度）为2.0 mm×2.2 mm,安装位置如图3所示,应变片结构如图4所示。 

图  3  应变片安装位置示意

图  4  应变片结构示意

2.   试验结果

使用DIC动态全场三维应变测试仪对叶背进行应变测量,获得的y方向应变分布云图及应变测量结果分别如图5,6所示。 

图  5  DIC系统y方向应变分布云图

图  6  DIC系统应变测量结果

通过电阻应变计及Coda应变测试仪测试,在同一应力水平下,试验开始阶段应变测量结果如图7所示,其中22号电阻应变片位置为理论最大应变点位置。 

图  7  电阻应变计试验开始阶段应变测量结果

3.   结果分析

3.1   DIC测量值与电阻应变计测量值对比

DIC测量值与电阻应变计测量值的对比结果如表1所示。由表1可知：试验采集的叶背应变点位共9个,DIC测量值与电阻应变计测量值的误差小于5%的点位有8个,21号点误差较大,为6.72%。两种测试方法获得结果的一致性较好。 

3.2   与理论应变的对比

将DIC测量值、电阻应变计测量值与理论应变进行对比,结果如表2所示。由表2可知：DIC测量值与理论应变的误差大于5%的点位仅有1个,且DIC测量值与理论应变的误差均小于电阻应变计测量值与理论应变的误差；DIC测量值与电阻应变计测量值都小于理论应变,除18号点位的DIC测量值误差偏大,其他点位三者趋势大致相同。由此可得,相较于电阻应变计测量法,基于DIC的动态全场应变测量方法可以更精确地获取叶片在振动条件下的振动应变分布和最大应变点。 

4.   结论

（1）以大尺寸叶片为研究对象,基于DIC技术,对叶片动态全场应变进行了测量,同时采用电阻应变计测量法进行对比验证,两者测量结果具有较高的一致性,进而验证了DIC技术在大尺寸叶片振动疲劳试验非接触变形测量中应用的可行性。 

（2）将计算求得的理论应变分别与DIC测量值、电阻应变计测量值进行对比,发现两种方法测量值与理论应变的误差均小于5%,且DIC测量值更接近理论应变。说明基于DIC的动态全场应变测量方法可以更精确地获取叶片在振动条件下的振动应变分布和最大应变点。

1. 文章来源——材料与测试网