葉片是航空發動機的主要零部件之一,其工作環境非常復雜,因振動導致結構疲勞破壞是葉片主要的失效形式之一[1-2]。葉片結構的振動疲勞特性嚴重影響發動機的安全性和可靠性。因此,對葉片振動疲勞的研究是必不可少的。測試葉片振動疲勞性能主要依據HB 5277-1984 《發動機葉片及材料振動疲勞試驗方法》 標準,測試最關鍵的一步是準確確定被測物體試驗狀態下的最大應力(應變)位置。通常,采用有限元計算和電阻應變計實測相結合的方式進行振動疲勞試驗的應力分布測量和應力標定。首先,通過有限元建模計算得到試樣的應力分布,確定試樣在振動條件下的應力場分布及最大應力位置；再通過電阻應變計進行實測,確定最大應力的位置及大小。在葉片上安裝應變片,通過導線傳遞信號,會使葉片上產生附加質量,影響葉片的振動特性和應力分布。傳統測量方法通常采用單向應變片,為了保證測量精度,對應變片敏感柵尺寸有嚴格的要求,對于幾何形狀復雜的葉片,其振動時表面應力狀態復雜,傳統測量方法難以保證測量方向與最大主應力方向一致,從而影響了葉片疲勞性能的測試精度[3]。而有限元的計算模擬并不能完全反映樣本的形貌和裝夾差異,兩者相結合時會不可避免地引入系統性誤差。綜上所述,傳統有限元計算和電阻應變計實測相結合的方法存在一定的局限性,會影響振動疲勞試驗數據的準確性和可靠性。 

數字圖像相關（DIC）技術是一種三維（3D）,全場,無接觸測量任何材料物體輪廓、位移、振動和應變的光學測量系統。該測量方法的原理是利用數碼相機或是光電攝像機采集被測物體表面變形前后的圖像,并將圖像輸入計算機并轉換為數字圖像,然后對于選定的圖像區域進行相關匹配的計算,再根據計算結果得出圖像上像素點的位移[4],最后依照標定像素當量的結果得到被測物體的實際變形量。DIC可用于測量物體的表面變形,其具有無須與材料接觸、適用于任何剛度材料的變形測試、全程跟蹤試樣變形、量程大、測試適應性小、有利于驗證理論對變形場分析有效性等優點[5-6]。陳亞軍等[7]介紹了3D-DIC在常規力學測試中的應用,對比分析了3D-DIC、傳統引伸計測試結果和有限元模擬的結果,驗證了3D-DIC技術的可行性,并介紹了高溫散斑的制作以及該技術的最新進展和難點。荊甫雷等[8]設計了針對渦輪葉片專用的試驗裝置,并進行高溫振動試驗,對比分析了接觸式和非接觸式以及有限元仿真技術在大梯度應力、溫度場下的測試精度,驗證了非接觸式測試技術的適應性和有效性。褚玉龍等[9]利用疲勞試驗和DIC非接觸全場應變測量的方法,探究了GH2036鐵基高溫合金y方向應變-疲勞壽命比的云圖,直觀地分析了合金的疲勞失效過程。陳新等[10]應用3D-DIC方法對發動機用TC17超高頻試樣進行了應力標定,獲得了不同振幅條件下的應變-時間曲線,再與電阻應變計法的測量結果進行對比,獲得了良好的結果一致性。到目前為止,DIC法己基本形成了一套較為系統的理論,并廣泛應用于機械工程、水利工程、航天工程以及生物工程等領域[11]。 

筆者以某型大尺寸葉片為研究對象,在葉片振動條件下,采用DIC系統實現動態全場應變的非接觸測量,同時利用電阻應變計進行測量,對結果進行對比,為葉片振動疲勞應變測試提供了數據支撐。 

1.   大尺寸葉片動態全場應變測量

將某型大尺寸葉片用專用夾具通過振動疲勞試驗裝夾輔助工裝剛性安裝在電動振動臺水平滑臺上,試驗方向為水平方向。利用激光位移傳感器對葉片進行振幅測量,結合振動控制儀實現振動疲勞試驗的閉環控制,測試面為葉背。 

在振動疲勞試驗過程中,通過DIC動態全場三維應變測試儀測量葉背表面的動態全場應變,使用高速相機和定焦鏡頭,使用VIC-Snap軟件采集標定圖片和振動試驗下的散斑圖片,使用VIC-3D軟件進行標定和分析。筆者以葉背理論最大應力點為中心,在距離為30 mm處安裝9枚電阻應變片,連接橋盒,通過Coda應變測試分析系統測量葉背處的應變。 

1.1   非接觸式測量

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域提供良好的特征,保證正確的散斑位移追蹤直接關系到標定時的不確定度,以及散斑照片的質量。為了避免形成反光并且有較好的對比度,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,黑色散斑清楚無涂抹。同時,拍攝一組靜止照片進行觀察,散斑點的大小需有較好的一致性,放大觀察后散斑點的大小應占5~10個像素點,否則容易造成分析時的混淆。照片視野中,散斑在白色底漆上應有50%的覆蓋率,因此需要兩散斑的點間距與散斑點的大小一致。為了避免錯誤匹配,試樣表面制作的散斑應具有隨機性,因此不要制作大面積復制的散斑圖案。葉片散斑制作結果如圖1所示。 

圖  1  葉背散斑制作結果

正式試驗開始前,對DIC系統進行校準,對大尺寸葉片進行標定。選擇具有可識別既定尺寸點功能的標定板,建立坐標系并識別空間尺寸,修正鏡頭引起的光學畸變。標定結果用于確定相機距離、角度等參數,并在結果中生成不確定度,不確定度小于0.04被認為是合理的標定不確定度范圍[12]。搭建DIC三維動態全場應變測量系統,該系統主要包括三腳架、兩臺無頻閃LED（發光二級管）光源、標定組件、散斑制作工具、VIC-Snap圖像采集系統和VIC-3D圖像處理系統等。打開圖像采集系統軟件,保證軟件中兩臺相機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,進光量越多,因此要避免使用最大光圈和最小光圈。設置軟件參數,為了保證采集照片的清晰度,需架設無頻閃LED白光光源,選用F為8的光圈,以獲得最佳畫質。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頻率較低,因此選用幀率為1 000 幀/s來采集照片,使應變曲線平滑。調整光圈,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,需要在開啟相機和采集軟件的前提下,對照視野畫幅調整相機的位置和角度。相機布置情況如圖2所示。 

圖  2  相機布置情況示意

在標定過程中,使用參數信息已確定的編碼型標定板,采集的標定照片中,標定板上所有的點將會被自動提取。標定結束后,每一張標定圖像都會有對應的分值,即照片中標定板提取點的位置與數學校正模型上點的理論位置之間的平均誤差,計算的校正結果包含置信區間。試驗采用點距為28 mm的標定板,標定過程中,標定板緊貼視野中散斑位置,使用無頻閃光源傾斜且直接照射于散斑表面,以提高成像質量,并避免形成反光。調整曝光度參數略高于正式試驗時拍攝散斑照片的曝光度。開始采集標定照片時,變化標定板各方向的傾斜角度,通過軟件采集30~50組標定照片,標定誤差需小于分析軟件中設定的不確定度,標定報告中高速相機夾角應為15°~60°。標定完成后不應再調整相機及光源的位置,調整曝光度低于標定時的曝光度,使圖像中的散斑清晰,且不會形成拖影。采集標定圖片時曝光率為300 μs,采集散斑照片時曝光率為150 μs。 

在一階彎曲共振狀態下開始試驗,通過激光位移傳感器和控制儀來控制測定點的振幅,在相同振幅條件下采集散斑照片,使用VIC-3D軟件進行標定和分析。 

1.2   電阻應變計法驗證

為了驗證三維 DIC測量結果的準確性,同時采用DIC方法和基于電阻應變計的電測法開展對比驗證研究。將應變片安裝在被測物體表面,并通過電纜連接到測量放大器。如果應變片被壓縮,其電阻會減小。如果應變片被拉伸,其電阻會增大。原因是當測量柵絲被拉伸時,電流通過的導體變細,導致電阻增大,通過電阻的變化可以確定應變片上的應變。 

試驗以葉背理論最大應力點為中心,距離為30 mm,安裝3行3列共9片電阻應變片,測量葉片展向應變,電阻應變計采用橋盒半橋連接進行溫度補償。通過電磁振動臺激勵葉片,利用Coda應變測試分析系統采集y方向的應變,進而測得應變。試驗采用的應變片為單向柵型應變片,敏感柵尺寸（長度×寬度）為2.0 mm×2.2 mm,安裝位置如圖3所示,應變片結構如圖4所示。 

圖  3  應變片安裝位置示意

圖  4  應變片結構示意

2.   試驗結果

使用DIC動態全場三維應變測試儀對葉背進行應變測量,獲得的y方向應變分布云圖及應變測量結果分別如圖5,6所示。 

圖  5  DIC系統y方向應變分布云圖

圖  6  DIC系統應變測量結果

通過電阻應變計及Coda應變測試儀測試,在同一應力水平下,試驗開始階段應變測量結果如圖7所示,其中22號電阻應變片位置為理論最大應變點位置。 

圖  7  電阻應變計試驗開始階段應變測量結果

3.   結果分析

3.1   DIC測量值與電阻應變計測量值對比

DIC測量值與電阻應變計測量值的對比結果如表1所示。由表1可知：試驗采集的葉背應變點位共9個,DIC測量值與電阻應變計測量值的誤差小于5%的點位有8個,21號點誤差較大,為6.72%。兩種測試方法獲得結果的一致性較好。 

3.2   與理論應變的對比

將DIC測量值、電阻應變計測量值與理論應變進行對比,結果如表2所示。由表2可知：DIC測量值與理論應變的誤差大于5%的點位僅有1個,且DIC測量值與理論應變的誤差均小于電阻應變計測量值與理論應變的誤差；DIC測量值與電阻應變計測量值都小于理論應變,除18號點位的DIC測量值誤差偏大,其他點位三者趨勢大致相同。由此可得,相較于電阻應變計測量法,基于DIC的動態全場應變測量方法可以更精確地獲取葉片在振動條件下的振動應變分布和最大應變點。 

4.   結論

（1）以大尺寸葉片為研究對象,基于DIC技術,對葉片動態全場應變進行了測量,同時采用電阻應變計測量法進行對比驗證,兩者測量結果具有較高的一致性,進而驗證了DIC技術在大尺寸葉片振動疲勞試驗非接觸變形測量中應用的可行性。 

（2）將計算求得的理論應變分別與DIC測量值、電阻應變計測量值進行對比,發現兩種方法測量值與理論應變的誤差均小于5%,且DIC測量值更接近理論應變。說明基于DIC的動態全場應變測量方法可以更精確地獲取葉片在振動條件下的振動應變分布和最大應變點。

1. 文章來源——材料與測試網