2000度超高溫下材料三維應變測量
http://www.moduwu.com 2023-03-02 09:48
在航空航天、能源和化工等工業領域，許多機件是在高溫下長期服役的，如發動機、鍋爐設備等，它們對材料的高溫力學性能提出了很高的要求。高溫力學性能是指高溫下物料因抵抗外力作用而產生各種變形和應力的能力。正確地評價材料、合理地使用材料、研究新的耐高溫材料，為上述工業發展和材料科學研究的主要任務之一。
數字圖像相關法dic測量方案
數字圖像相關測量方法DIC是一種非接觸式變形測量方法，它使用相機分別記錄下被測試件表面變形前后的灰度信息，然后通過軟件處理圖像信息，以得到所需的應變場。
DIC方法具有實驗設備和過程簡單、能實現全場測量、對測量環境和隔振要求低等優點，尤其適用于復雜極端環境下的力學測試。
采用新拓三維XTDIC三維全場應變測量系統，通過對高溫環境下材料的形貌、變形、應變的同步測量，可以獲取材料因高溫引起的表面形狀變化，揭示材料失效過程，并能定量給出失效的臨界溫度和應變范圍。
一種典型的DIC測量系統示意圖
誤差影響與改進措施
數字圖像相關法DIC和任何測量過程中一樣，誤差會影響測量數據，每次新的測試都需要估相對應的不確定性，處理好與測試和后處理相關的誤差來源，并盡量減輕這些誤差，以使位移測量更加可靠。
在高溫材料力學測試中，設備、環境和操作等因素容易引起測量誤差，其可能的影響因素為：
1、高溫散斑的質量，會直接影響DIC軟件的運算結果；
2、溫度升高導致試件本身的熱膨脹，引起變形測量誤差；
3、材料試件升溫產生的紅光，對圖像采集有一定影響；
4、測試艙內空氣在高溫條件下導致材料表面氧化，對圖像采集造成影響。
針對上述高溫測試影響因素，為降低測量誤差，新拓三維技術工程師通常會根據實際測試環境，對應采用以下改進措施：
1、制作對比度高、分布均勻的高質量散斑，提升辨識度；
2、高溫階段保持一段時間，待熱膨脹變形穩定后加載，消除熱膨脹引起的誤差；
3、加裝窄帶濾光、干涉片，藍光LED燈補光，消除高溫產生紅外干擾，實現高質量散斑采集；
4、適當抽取艙內空氣降低壓強，降低空氣氧化的影響；
數字圖像相關法DIC可以應用于高低溫實驗，但主要局限在800攝氏度以內的測量，對于超高溫（直到3000度）的測量基本上還面臨困難。
新拓三維XTDIC非接觸式三維光學應變測量系統，采用自主研制的特殊技術散斑制備方法，結合多種窄帶濾光、干涉片，清晰采集高溫散斑圖案，可實現3000攝氏度的高溫全場應變測量。
復合材料高溫拉伸
復合材料作為耐高溫、燒蝕材料，經常用于發動機噴管喉襯、擴張段、燃燒室、燃氣閥、進氣道等關鍵防熱構件，其工作溫度在1500～3500℃，甚至更高。
由于引伸計自身材料的熱膨脹，試樣與引伸計之間會產生滑動，導致誤差增大，且試樣工作時需通電加熱。因此，采用非接觸式DIC測量技術，可解決隔熱、絕緣問題，可全面準確地了解復合材料的高溫力學性能。
圖：碳碳復合材料600度拉伸
薄板高溫焊接
高強度薄壁件在船舶、汽車、飛機等領域廣泛應用，薄壁件剛度比較低，焊接易引起彎曲變形、角變形、失穩變形等。傳統接觸式測量方法多是單點單方向的測量，無法直觀分析整體變形趨勢。
由于變形的復雜性，理論數值模擬技術難以準確預測實際變形情況。基于數字圖像相關技術，獲取薄板焊接過程中全場變形數據，分析變形規律、優化焊接工藝，為數值模擬提供數據支撐。
圓筒高溫焊接
高強度管線鋼廣泛應用于油氣管道（特別是天然氣）的運輸，由于管道是一種典型的焊接結構，焊縫及靠近焊縫的母材及熱影響區不可避免地存在各種形式的焊接缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等。
采用基于數字散斑相關技術的非接觸測量手段，獲取管道焊縫位置全場變形分布，研究管道在焊接過程中的變形機制及力學行為，最大限度地利用管道的變形能力，確保管道在地震帶、斷層橫移、滑坡和永凍帶等復雜服役環境下安全穩定運行。
激光加熱變形
激光作為能量載體，作用在靶材上后會產生一系列變形，通過非接觸測量手段獲取全場變形數據，能夠直觀顯示變形分布規律，為理論研究提供大量的實驗數據，揭示激光與靶材相互作用過程中的規律，推動變形機理的深入研究，擴大激光的應用范圍。
采用激光加熱鋁合金、鈦合金等板材實驗，獲取加熱至熔穿整個過程的變形數據，為理論研究、數值模擬提供數據支撐，進行相關基礎性科學研究，推動激光在國防軍事、工業加工等重點領域的發展。
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