一种在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及结构形变测量技术，具体涉及一种在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量装置及其测量方法。

背景技术

发动机是飞行器的核心部件，是飞行器机动性、航程、可靠性、经济性及环境影响的决定性因素之一。航空发动机服役环境恶劣、因素复杂，材料对环境的响应存在耦合效应，而不是单一环境作用结果的叠加。为此，各国在相应的重大材料研究计划中，都将材料的环境性能模拟作为主要内容，如美国1988年制定的飞机用复合材料计划、1990年NASA、DOE和DoD联合制定的先进热机陶瓷技术计划和日本1993年制定的未来汽轮发电机的先进材料计划(AMG)等都不约而同地要求建立材料的环境性能表征和数据库，并首先发展了环境模拟方法，其中包括实验模拟和数值模拟两方面。

在实验模拟方面，目前存在两种方法：第一种是采用全环境因素试验，直接获取材料的试验结果。尽管全环境模拟方法和设备越来越逼近真实环境，但缺点也显而易见，那就是模拟设备的投资和环境考核试验的成本成倍上升。第二种是从环境与材料相互作用的物理和化学本质出发，发展新型模拟理论与实验方法。这些方法的特点是以材料损伤与破坏的环境控制因素和材料性能控制因素为依据，将全环境因素模拟简化为控制因素的实验模拟。针对发动机用结构材料的环境与材料模拟，目前绝大部分的研究还集中在材料本身的物理化学性能，对材料的性质考核主要集中在烧蚀试验方面，而对于烧蚀过程中环境的耦合效应模拟考虑得不多。尤其是在实际使用中由于发动机吸入外来颗粒或发动机本身结构的破损，发动机结构用材料会受到某些颗粒物的撞击。有时，硬物也会撞击航空发动机高温端的涡轮叶片，引起热障涂层的严重损坏。叶片前缘的裂痕将会发展成疲劳裂缝，并蔓延而使整个叶片损坏。针对材料实际工作条件中可能受到的冲击载荷的模拟，由于烧蚀试验本身的复杂性以及实验平台搭建的困难，导致到目前并没有对材料在烧蚀条件下施加冲击载荷的考虑，而这与材料的实际中受到的工况存在明显差距，因此无法更加准确地模拟描述材料在真实工作环境下的响应。因此开展在线施加冲击载荷这方面的工作非常重要，对提高材料服役性能也是起着至关重要的作用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量装置及其测量方法，可实现材料或结构在烧蚀的过程中在线施加冲击载荷，模拟材料或结构件在实际使用过程中受冲击载荷的情况，同时对试验过程进行温度定量采集、动态烧蚀过程图像捕捉、试样变形情况的图像捕捉；并在此装置基础上提出材料或结构件在受冲击条件下的烧蚀测试方法。

本发明的一个目的在于提出一种在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量装置。

本发明的在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量装置包括：动态烧蚀平台、冲击载荷施加装置、火焰加热装置、激光测速仪、温度测量系统、试样夹持装置、第一至第三摄像机和图像处理系统；其中，试样夹持装置安装在动态烧蚀平台上；试样安装在试样夹持装置内，试样的正面为撞击面，与撞击面相对的面为背面；冲击载荷施加装置正对试样的撞击面安装在动态烧蚀平台上；在冲击载荷施加装置与试样的撞击面之间设置激光测速仪；火焰加热装置的喷嘴对准试样的撞击面；温度测量系统对着试样的撞击面；第一摄像机对着试样的撞击面，第二和第三摄像机分别位于不同的角度对着试样的背面；第一至第三摄像机分别连接至图像处理系统；烧蚀前，第一摄像机采集试样的撞击面的二维图像，以及第二和第三摄像机采集试样的背面的三维图像，作为初始参考图像；火焰加热装置的喷嘴对准试样的撞击面进行烧蚀，同时第一至第三摄像机采集试件的图像；温度测量系统采集试样的撞击面的温度，当达到预定温度时，冲击载荷施加装置发射冲击物，撞击试样的撞击面；激光测速仪测量冲击物的速度，从而得到撞击能量；第一摄像机获得烧蚀过程中试样的撞击面的烧蚀变化的图像，图像处理系统分析撞击面的烧蚀变化的图像，得到撞击前和撞击后的烧蚀速率的变化量；第二和第三摄像机分别实时获得烧蚀过程中试样的背面的不同角度的图像，图像处理系统根据双目立体视觉的原理得到背面的三维变形场；撞击能量输入至图像处理系统，图像处理系统分析撞击能量与烧蚀速率的变化量和三维变形场之间的关系，从而获得撞击能量对试件的影响。

冲击载荷施加装置包括底座、充气口、充气开关、发射开关、气室、冲击物、炮管、弹托和弹托回收器；其中，底座安装在动态烧蚀平台上；在气室的一端设置炮管；气室和炮管安装在底座上，炮管正对试样的撞击面；在炮管内设置弹托，冲击物放置在弹托内，在炮管的顶端设置弹托回收器；在气室的另一端设置充气口，在充气口上分别设置有充气开关和发射开关；控制充气开关，通过充气口向气室内充气；打开发射开关，利用气压差，将高压气体从炮管释放，推动弹托运动，从而将冲击物从炮管发射出，弹托回收器将弹托留在炮管内。根据发射物的尺寸和材料选择相应尺寸的弹托。通过控制充气口向气室充气，控制气室内的气压，从而控制冲击物的发射速度；可施加单次冲击或连续多次冲击。炮管的轴线为冲击载荷施加装置的中心线，冲击物和弹托的中心线与炮管的轴线重合。

火焰加热装置包括导管和喷嘴；其中，导管连接至喷嘴，喷嘴正对试件的撞击面；采用气体加热或电弧加热等方式；采用一个喷嘴或采用多个喷嘴组成的阵列。

温度测量系统包括红外测温仪和计算机；其中，红外测温仪连接至计算机；红外测温仪采集试件撞击面的温度，将数据传输至计算机。

激光测速仪、红外测温仪以及第一至第三摄像机分别通过各自的支架安装在动态烧蚀平台上。

试样加持装置包括试样架底座、支撑架、转轴、旋转支架和夹板；其中，试样架底座固定在动态烧蚀平台上；旋转支架的底端通过转轴安装在试样架底座上，旋转支架的顶端通过支撑架与试样架底座安装固定；试样通过夹板固定在旋转支架上；试样的中心位于冲击载荷施加装置的中心线上；通过转轴使试样与冲击物的发射方向形成不同的角度。

本发明的另一个目的在于提供一种在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量方法。

本发明的在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量方法，包括以下步骤：

1)在烧蚀前，第一摄像机采集试样的撞击面的二维图像，以及第二和第三摄像机采集试样的背面的三维图像，作为初始参考图像；

2)火焰加热装置的喷嘴对准试样的撞击面进行烧蚀，同时第一至第三摄像机采集试件的图像，温度测量系统实时采集试样的撞击面的温度；

3)当达到预定温度时，冲击载荷施加装置发射冲击物，撞击试样的撞击面；

4)激光测速仪测量冲击物的速度，从而得到撞击能量；

5)第一摄像机获得烧蚀过程中试样的撞击面的烧蚀变化的图像，图像处理系统分析撞击面的烧蚀变化的图像，得到撞击前和撞击后的烧蚀速率的变化量；

6)第二和第三摄像机分别实时获得烧蚀过程中试样的背面的不同角度的图像，图像处理系统根据双目立体视觉的原理得到背面的三维变形场；

7)根据试件的弹性模量和泊松比得到试件的应力场；

8)将撞击能量输入至图像处理系统，图像处理系统分析撞击能量与烧蚀速率的变化量和三维变形场之间的关系，从而获得撞击能量对试件的影响。

其中，在步骤4)中，激光测速仪测量冲击物的速度为v，根据冲击物的重量m，可求得冲击物所具有的撞击能量Q：

在步骤5)中，通过第一摄像机获得烧蚀过程中试样的撞击面的烧蚀变化的图像，得到撞击前和撞击后的烧蚀速率的变化量，具体包括以下步骤：

a)第一摄像机拍摄得到的试样的撞击面烧蚀变化过程的图像，通过放慢高速摄影得到烧蚀过程动画，观察并分析试样的撞击面氧化物生成、流动和演化的动态过程；

b)通过试样的撞击面烧蚀变化过程的图像，计算试样的撞击面的烧蚀面积随时间的变化情况，得到试样在冲击前的烧蚀速率函数u₁，以及试样承受撞击后的烧蚀率函数u₂，烧蚀速率的变化量Δu为：Δu＝u₂-u₁。

在步骤6)中，第二和第三摄像机分别实时获得烧蚀过程中试样的背面的不同角度的图像，图像处理系统根据双目立体视觉的原理得到背面的三维变形场，具体包括以下步骤：

a)在烧蚀开始前对第二摄像机和第三摄像机进行三维立体标定；

b)根据双目立体视觉的原理，通过事先标定的结果对第二摄像机和第三摄像机拍摄得到的图像中匹配到的点进行三维重建，得到在某一时刻所测试样的背面的三维坐标；

c)前后两个不同时刻所得空间坐标之差即为该点的三维位移(u,v,w)，通过对位移场求梯度可求得试样的背面的三维变形场(ε_x,ε_y,ε_xy)。

本发明的优点：

本发明采用冲击载荷施加装置，在试件的烧蚀过程中加载冲击载荷，能够根据实际工况选择合适的冲击物的尺寸及材料，以及选择冲击模式及角度，进而模拟试样工作的实际受冲击情况，提供更接近于实际使用环境的试样模拟效果；同时结合温度测量系统与图像处理系统，可实现对材料氧化烧蚀过程的温度定量测量、动态烧蚀过程图像捕捉以及试样的动态变形测量。

附图说明

图1为本发明的在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量装置的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量装置包括：动态烧蚀平台1、冲击载荷施加装置、火焰加热装置31和32、激光测速仪4、温度测量系统51和52、试样夹持装置、第一至第三摄像机71～73、以及图像处理系统8；其中，试样夹持装置安装在动态烧蚀平台1上；试样0安装在试样夹持装置内，试样0的正面为撞击面，与撞击面相对的面为背面；冲击载荷施加装置正对试样的撞击面安装在动态烧蚀平台上；在冲击载荷施加装置与试样的撞击面之间设置激光测速仪；火焰加热装置的喷嘴对准试样的撞击面；温度测量系统对着试样0的撞击面；第一摄像机71正对试样的撞击面，第二和第三摄像机72和73分别位于不同的角度对着试样0的背面；第一至第三摄像机分别连接至图像处理系统。

冲击载荷施加装置包括底座21、充气口22、充气开关23、发射开关24、气室25、冲击物26、炮管27、弹托28和弹托回收器29；其中，底座21安装在动态烧蚀平台1上；在气室25的一端设置炮管27；气室25和炮管27安装在底座上；在炮管27内设置弹28托，冲击物26放置在弹托28内，在炮管27的顶端设置弹托回收器29；在气室25的另一端设置充气口22，在充气口22上分别设置有充气开关23和发射开关24。

火焰加热装置包括导管32和喷嘴31；其中，导管32连接至喷嘴31，喷嘴正对试件的撞击面。

温度测量系统包括红外测温仪51和计算机52；其中，红外测温仪51连接至计算机52。

试样加持装置包括试样架底座61、支撑架62、转轴63、旋转支架64和夹板65；其中，试样架底座61固定在动态烧蚀平台1上；旋转支架64的底端通过转轴63安装在试样架底座61上，旋转支架的顶端通过支撑架与试样架底座安装固定；试样0通过夹板65固定在旋转支架64上；试样的中心位于冲击载荷施加装置的中心线上；通过转轴使试样与冲击物的发射方向形成不同的角度。

本实施例的在线施加冲击载荷的动态烧蚀测量方法，包括以下步骤：

1)在烧蚀前，第一摄像机采集试样的撞击面的二维图像，以及第二和第三摄像机从不同的角度拍摄试样的背面的图像，图像处理系统根据双目视觉原理得到试样的背面的三维图像，作为初始参考图像。

2)火焰加热装置的喷嘴对准试样的撞击面进行烧蚀，同时第一至第三摄像机采集试件的图像，温度测量系统实时采集试样的撞击面的温度。

3)当达到预定温度时，冲击载荷施加装置发射冲击物，撞击试样的撞击面。

4)激光测速仪测量冲击物的速度为v，根据冲击物的重量m，可求得冲击物所具有的撞击能量Q：

5)第一摄像机获得烧蚀过程中试样的撞击面的烧蚀变化的图像，图像处理系统分析撞击面的烧蚀变化的图像，得到撞击前和撞击后的烧蚀速率的变化量：

a)第一摄像机拍摄得到的试样的撞击面烧蚀变化过程的图像，通过放慢高速摄影得到烧蚀过程动画，观察并分析试样的撞击面氧化物生成、流动和演化的动态过程；

b)通过试样的撞击面烧蚀变化过程的图像，计算试样的撞击面的烧蚀面积随时间的变化情况，得到试样在冲击前的烧蚀速率函数u₁，以及试样承受撞击后的烧蚀率函数u₂，烧蚀速率的变化量Δu为：Δu＝u₂-u₁。、

6)第二和第三摄像机分别实时获得烧蚀过程中试样的背面的不同角度的图像，图像处理系统根据双目立体视觉的原理得到背面的三维变形场：

a)在烧蚀开始前对第二摄像机和第三摄像机进行三维立体标定；

b)根据双目立体视觉的原理，通过事先标定的结果对第二摄像机和第三摄像机拍摄得到的图像中匹配到的点进行三维重建，得到在某一时刻所测试样的背面的三维坐标；

c)前后两个不同时刻所得空间坐标之差即为该点的三维位移(u,v,w)，通过对位移场求梯度可求得试样的背面的三维变形场(ε_x,ε_y,ε_xy)。

7)根据试件的弹性模量和泊松比得到试件的应力场。

8)将撞击能量输入至图像处理系统，图像处理系统分析撞击能量与烧蚀速率的变化量和三维变形场之间的关系，从而获得撞击能量对试件的影响。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。