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《北京科技大学》 2020年 博士论文
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基于激光散斑数字图像相关的超高温变形测量方法研究

宋金连  
【摘要】:随着航天、国防领域技术的不断发展,给材料、构件在超高温等复杂环境下的变形测量带了新的挑战。航天飞行器、航空发动机等热端部件的服役温度甚至高达2000℃以上,这些部件能否连续、稳定地工作直接影响到整个系统的正常工作。因此,超高温环境下材料、构件的力学性能表征和评价就显得尤为重要,迫切需要研究能够用于超高温环境下材料、构件的力学性能测试的新方法和新装置。但传统的接触式的变形测量方法中元器件难以耐受2000℃以上的高温环境,因此,发展非接触式的超高温变形测量方法就显得极其重要。数字图像相关方法(Digital Image Correlation,DIC)是目前普遍应用的非接触式变形测量方法,具有非接触、全场测量、精度高、环境适应能力强等优点,在超高温环境下的变形测量中具有明显的优势和应用价值。但由于超高温环境下,基于DIC方法的非接触式变形测量方法仍然存在耐高温散斑制备、散斑图质量评价、散斑图退相关严重、高温背景辐射、热流扰动等影响变形测量精度的问题,本文从影响测量精度的理论基础问题入手进行研究,以提高DIC方法在超高温环境下的变形测量精度。具体研究内容如下:(1)针对传统的单一的散斑图质量评价指标不适用于激光散斑图质量评价的问题,提出了多因子融合的激光散斑图质量全局评价指标。以陶瓷材料、不锈钢材料、碳碳复合材料、不同粗糙度的镍基材料为研究对象,研究了相机光圈、激光功率、环境温度等外界因素以及材料表面粗糙度、光反射率等自身因素对激光散斑特性的影响,得出了不同因素对激光散斑图的影响规律,为激光散斑图采集中参数的选择提供了理论依据。并提出了综合考虑散斑图灰度分布、散斑图对比度和散斑颗粒形态的多因子融合指标,克服了传统的单一因子评价指标不适用于激光散斑图质量评价的局限性。实验结果表明,多因子融合指标更适用于激光散斑图的质量评价。(2)针对退相关严重的激光散斑图测量精度低的问题,提出了基于IIC-GN算法的退相关严重散斑图的初值估计方法。IIC-GN(Improved Inverse Compositional Gauss-Newton,ⅡC-GN)算法能够利用相关系数高的计算点建立模型来估计相关系数低的计算点,从而提高了初值估计的精度,克服了 IC-GN(Inverse Compositional Gauss-Newton,IC-GN)算法易陷入局部最优的问题,减少了数字图像相关方法搜索过程中搜索误差大或者搜索错误的计算点。以模拟的退相关严重的散斑图为研究对象,结果表明:采用IC-GN算法计算得到的应变与理论应变的误差为3%-6%,而采用ⅡC-GN算法计算得到的应变误差在0.02%以内。以刚性隔热材料在常温下的拉伸实验为研究对象,结果表明:采用ⅡC-GN算法计算得到的弹性模量误差为2.2%,而采用IC-GN算法计算得到的弹性模量误差为6.5%。(3)针对热流扰动引起位移场含噪声的问题,提出了基于激光散斑DIC与IRANSAC位移场平滑算法相结合的高温应变测量方法。激光散斑作为高温环境下的特征散斑,解决了高温环境下散斑易发生脱落、变形等问题。IRANSAC(Improved RANdom SAple Consensus,IRANSAC)算法通过迭代的方式对带噪位移场进行处理,再利用降噪后的位移场计算应变信息,解决了热绕扰动引起的位移场含有大量噪声而降低非接触式变形测量方法在高温环境下的测量精度的问题。以碳碳复合材料在高温2000℃的惰性气氛环境下的拉伸实验为研究对象,结果表明:用改进方法计算得到的应变曲线与用接触式引伸计测量的结果基本一致,优于用传统方法计算得到的应变曲线。与传统方法相比,改进方法测得的应变曲线与接触式引伸计测得的应变曲线的平均偏差降低了 13.94%。(4)针对超高温背景辐射对激光散斑图质量的影响,提出了基于激光主动光源与多重滤波相结合的超高温非接触式变形测量方法。主动激光光源提高了散斑光强与背景辐射的强度差,多重滤波装置有效地利用了激光是相干光和偏振光,线性偏振片只允许振动方向与其偏振方向相同的可见光通过,窄带滤波片只允许带宽内的可见光通过的特性,有效地抑制了强背景辐射对激光散斑图质量的影响。以碳碳复合材料在超高温2200℃、2400℃、2600℃和2800℃的环境下的实验为研究对象,结果表明:激光散斑DIC结合多重滤波装置对超高温环境下背景辐射有很多好的抑制效果,不仅能获得有效的激光散斑图,其计算得到的弹性模量值与高温接触引伸计测量值的偏差均小于7%。本文针对超高温环境下基于数字图像相关方法的高精度变形测量方法开展了相关研究工作,为超高温环境下材料、构件的变形测量提供了新的思路和方法。


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