材料在極端工況（如高速旋轉(zhuǎn)、沖擊、爆炸）下的形變與失效機(jī)制，是航空航天、汽車制造、基建工程等領(lǐng)域的關(guān)鍵研究課題。傳統(tǒng)接觸式測量手段（如應(yīng)變片）受限于單點(diǎn)測量、易受干擾等缺陷，難以滿足這類動(dòng)態(tài)場景下全場應(yīng)變測量與高時(shí)間分辨率采集的需求。

數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）作為非接觸式光學(xué)測量技術(shù)，通過追蹤物體表面散斑的位移場，可精準(zhǔn)計(jì)算全場應(yīng)變分布；搭配高速攝像機(jī)，更能捕捉毫秒級甚至微秒級的動(dòng)態(tài)形變過程。

本次實(shí)驗(yàn)聚焦風(fēng)扇葉片——這類在高速轉(zhuǎn)動(dòng)中承受復(fù)雜離心力與氣動(dòng)載荷的部件，其應(yīng)變分布與結(jié)構(gòu)可靠性直接關(guān)聯(lián)，是驗(yàn)證DIC技術(shù)工程實(shí)用性的典型場景。

02實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)采用深視智能高速攝像機(jī)與數(shù)字圖像相關(guān)DIC系統(tǒng)，構(gòu)建了從設(shè)備架設(shè)到數(shù)據(jù)采集的完整方案：

01

硬件配置

高速攝像機(jī)：2臺深視智能SH3-108高速攝像機(jī)，在1280×1024全畫幅分辨率下采集幀率達(dá)8000幀/秒，可清晰捕捉風(fēng)扇葉片的高速轉(zhuǎn)動(dòng)細(xì)節(jié)。

架設(shè)與同步：將兩臺高速攝像機(jī)按合理夾角架設(shè)于風(fēng)扇前方，確保拍攝區(qū)域穩(wěn)定在視野內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)扇葉片的持續(xù)、清晰動(dòng)態(tài)圖像采集。

02

樣品與標(biāo)記制備

圖丨風(fēng)扇葉片散斑制備

在風(fēng)扇葉片表面制備隨機(jī)散斑，以向DIC軟件提供其分析所需的紋理特征。

測量區(qū)域選取：在不同葉片的葉根、葉中、葉尖分別設(shè)置小區(qū)域（即 “階段矩形0-5”），覆蓋從葉片根部到尖端的關(guān)鍵受力區(qū)域，用于分析應(yīng)變梯度。

03實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過DIC技術(shù)，我們獲取了風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)動(dòng)過程中拉格朗日應(yīng)變E1的全場分布與時(shí)間響應(yīng)曲線，從 “空間分布” 與 “時(shí)間動(dòng)態(tài)” 兩個(gè)維度解析葉片力學(xué)行為。

01

應(yīng)變?nèi)珗龇植迹臻g維度）

從實(shí)驗(yàn)圖像的應(yīng)變云圖可見：

顏色刻度代表微應(yīng)變大小（范圍：-30000~20000微應(yīng)變），暖色（紅、黃）對應(yīng)拉應(yīng)變，冷色（藍(lán)、綠）對應(yīng)壓應(yīng)變。

圖丨風(fēng)扇葉片不同階段矩形應(yīng)變觀測

不同“階段矩形”（葉根、葉中、葉尖區(qū)域）的應(yīng)變存在明顯梯度：葉尖區(qū)域（如階段矩形1、5）以拉應(yīng)變?yōu)橹?，?shù)值相對更高；葉根區(qū)域（如階段矩形 2、3）應(yīng)變類型更復(fù)雜，存在拉壓交替，反映根部受載的復(fù)雜性。

02

應(yīng)變時(shí)間響應(yīng)（動(dòng)態(tài)維度）

下方時(shí)間-應(yīng)變曲線展示了各區(qū)域應(yīng)變隨時(shí)間（秒）的波動(dòng)規(guī)律：

不同區(qū)域的應(yīng)變曲線呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，與風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的周期完全響應(yīng)，驗(yàn)證了測量的動(dòng)態(tài)一致性。

葉尖區(qū)域（如階段矩形1、5）應(yīng)變峰值更高，且以拉應(yīng)變?yōu)橹?；葉根區(qū)域（如階段矩形2、3）應(yīng)變幅值相對較小，且存在壓應(yīng)變階段，這與葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) “葉尖離心拉伸、葉根約束復(fù)雜” 的力學(xué)邏輯完全吻合。

03

結(jié)構(gòu)受力合理性評估

從應(yīng)變分布與梯度可見：葉片從葉根到葉尖的應(yīng)變呈現(xiàn)由復(fù)雜到集中、由低到高的規(guī)律，符合離心載荷下的力學(xué)預(yù)期。葉尖未出現(xiàn)過度應(yīng)變集中（未達(dá)材料失效閾值），葉根的應(yīng)變波動(dòng)也在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許范圍內(nèi)，說明該風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較好的受力合理性。

04技術(shù)價(jià)值與應(yīng)用展望

本實(shí)驗(yàn)充分展現(xiàn)了深視智能SH3-108高速攝像機(jī)與DIC技術(shù)在動(dòng)態(tài)形變測量中的優(yōu)勢：

非接觸全場測量：突破傳統(tǒng)接觸式手段的單點(diǎn)限制，實(shí)現(xiàn)葉片表面全域應(yīng)變的可視化測量，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供完整數(shù)據(jù)支撐。

高時(shí)空分辨率：8000幀/秒的幀率與50微應(yīng)變的測量精度，精準(zhǔn)捕捉高速轉(zhuǎn)動(dòng)下的瞬時(shí)形變，滿足極端工況的測量需求。

深視智能高速攝像機(jī)聯(lián)合DIC技術(shù)不僅可用于風(fēng)扇葉片的性能驗(yàn)證，更可推廣至航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、汽車渦輪部件、橋梁抗風(fēng)構(gòu)件等工程場景，為材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)、故障預(yù)警等提供核心技術(shù)支持，推動(dòng)工程領(lǐng)域?qū)O端載荷下材料行為的認(rèn)知從 “經(jīng)驗(yàn)判斷” 走向 “精準(zhǔn)量化”。

綜上，深視智能高速攝像機(jī)與數(shù)字圖像相關(guān)DIC技術(shù)的融合，為工程部件的動(dòng)態(tài)形變測量開辟了新路徑，其在復(fù)雜工況下的非接觸、全場、高精度測量能力，將持續(xù)為材料科學(xué)與工程設(shè)計(jì)的創(chuàng)新發(fā)展賦能。

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