基于數(shù)字散斑技術(shù)的炭/炭復(fù)合材料高溫應(yīng)變測(cè)量①

趙麗娜，賀平照，邢樹根，嵇阿琳，周紹建，程 文，梁 晉

(1．西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025;2．西安交通大學(xué)，西安 710049)

0 引言

C/C復(fù)合材料作為耐高溫、燒蝕材料，經(jīng)常用于發(fā)動(dòng)機(jī)噴管喉襯、擴(kuò)張段、燃燒室、燃?xì)忾y、進(jìn)氣道等關(guān)鍵防熱構(gòu)件。其工作溫度在1 500～3 500℃，甚至更高。全面準(zhǔn)確地了解C/C復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能，對(duì)于其研制、應(yīng)用起到至關(guān)重要的作用［1］。由于試樣的工作溫度高，且常常需要通電加熱，因此試樣的應(yīng)變測(cè)量成為技術(shù)難題。

現(xiàn)有的試驗(yàn)機(jī)采用接觸式引伸計(jì)來測(cè)量材料在高溫下拉伸應(yīng)變值。在材料的拉伸變形過程中，由于引伸計(jì)自身材料的熱膨脹，試樣與引伸計(jì)之間會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，導(dǎo)致誤差增大，且試樣工作時(shí)需通電加熱。因此，引伸計(jì)與試樣之間不僅需要考慮隔熱，同時(shí)還要兼顧絕緣，對(duì)引伸計(jì)材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高，因此容易在傳遞應(yīng)變環(huán)節(jié)使誤差進(jìn)一步增加。此外，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法可能對(duì)試樣成損傷、不能測(cè)量易磨損材料，使其在很多領(lǐng)域和場(chǎng)合的使用受到限制［2］。隨著電子技術(shù)、激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了迅速的發(fā)展［3］。數(shù)字散斑即是在圖像處理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的非接觸式應(yīng)變測(cè)量方法。

本文嘗試性地將數(shù)字散斑測(cè)量全場(chǎng)應(yīng)變的方法應(yīng)用到高溫環(huán)境下的C/C復(fù)合材料應(yīng)變測(cè)量中來，通過這種方式直觀準(zhǔn)確地獲得試樣在高溫下的應(yīng)變。

1 非接觸式高溫測(cè)應(yīng)變研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)應(yīng)用計(jì)算式線掃描照相機(jī)跟蹤試樣上的2個(gè)小陶瓷粘合劑靶子，靶子中間為測(cè)試段，測(cè)試段噴涂一定厚度的碳化鉭(碳化鉭/石墨界面在2 700℃尚保持穩(wěn)定)，靶子用激光照明，光線通過窄帶干涉濾光器消除試樣熱輻射的影響，可測(cè)得2 700℃下石墨試樣的應(yīng)變［4］。

長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所將激光多普勒速度計(jì)的工作原理應(yīng)用在高溫測(cè)量材料應(yīng)變的領(lǐng)域，即利用散斑干涉原理，能夠?qū)崿F(xiàn)石墨材質(zhì)試樣在1 500℃的高溫非接觸應(yīng)變測(cè)量［5］。

數(shù)字散斑相關(guān)方法(Digital Speckle Correlation Method，DSCM)是在20世紀(jì)80年代初由山口一郎和Peters與Ranson等人同時(shí)獨(dú)立提出［6］，是用于測(cè)量物體應(yīng)變的非接觸式光學(xué)測(cè)量方法。區(qū)別于傳統(tǒng)的散斑干涉測(cè)量，它是直接從表面隨機(jī)分布的人工或自然散斑場(chǎng)中獲取變形信息，對(duì)變形前后采集的物體表面的兩幅圖像進(jìn)行處理，通過計(jì)算來實(shí)現(xiàn)對(duì)物體變形場(chǎng)的測(cè)量。其優(yōu)點(diǎn)是全場(chǎng)、非接觸測(cè)量和高精度以及易操作［7］。目前，多用于1 000℃以下高溫應(yīng)變測(cè)量。

2 數(shù)字散斑技術(shù)理論

傳統(tǒng)的光測(cè)方法(包括光彈片法、全息干涉法、散斑照相法、電子散斑干涉法、密柵云紋法等)，一般都要求激光作為光源，光路復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果易受外界振動(dòng)的影響，限制了傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量方法的應(yīng)用［8］。C/C復(fù)合材料試樣在2 000℃以上高溫時(shí)，所發(fā)出的光波帶寬與激光發(fā)出的光波帶寬相互重疊，很難通過濾光對(duì)二者進(jìn)行剝離。因此，本研究采用數(shù)字散板相關(guān)方法進(jìn)行變形的測(cè)量，并通過實(shí)驗(yàn)表明，它是一種較理想的光學(xué)測(cè)量方法。

數(shù)字散斑測(cè)量應(yīng)變系統(tǒng)主要包括光源部分、定位架、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、PC機(jī)和檢測(cè)軟件等幾部分。在試樣表面噴涂不同材料作為散斑，通過照明系統(tǒng)照亮被測(cè)試件，使被測(cè)試件標(biāo)記成像到CCD相機(jī)上，并保持?jǐn)z像機(jī)光軸與試件軸線垂直。當(dāng)試件發(fā)生變形時(shí)，試件的尺寸及其變化將展現(xiàn)在一個(gè)二維平面內(nèi)，CCD相機(jī)上的成像也就相應(yīng)發(fā)生變化，如圖1所示。假設(shè)攝像機(jī)使試樣成像遵循嚴(yán)格的幾何光學(xué)關(guān)系，試件尺寸的變化將導(dǎo)致試樣圖像面積的相應(yīng)改變，且成線性比例關(guān)系。因此，測(cè)得了圖像中試樣面積的變化，就可準(zhǔn)確推算出實(shí)際試樣的尺寸及其變化。將圖像數(shù)據(jù)信號(hào)傳入計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像預(yù)處理、邊緣檢測(cè)和圖像匹配技術(shù)等［9］。圖像處理后，即可得到所測(cè)試樣的變形量。

圖1 數(shù)字散斑追蹤過程Fig．1 Speckle tracking process

數(shù)字散斑相關(guān)方法要包括以下幾個(gè)重要方面:用何種位移表征模式來描述一個(gè)區(qū)域的變形，確定相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立合適的目標(biāo)函數(shù);采用優(yōu)化的搜索方法;為提高精度進(jìn)行亞像素求解;通過相關(guān)計(jì)算，得到變形或位移場(chǎng)的有效數(shù)據(jù)［10］。

由圖1經(jīng)推導(dǎo)計(jì)算可得式(1):

式(1)表明，樣本子區(qū)的位移和變形可用其中心點(diǎn)的位移u，v和它們的4個(gè)偏導(dǎo)數(shù)來表示，即子區(qū)中心點(diǎn)的位移和它的4個(gè)偏導(dǎo)數(shù)完全可用來描述物體的面內(nèi)變形。目前，比較精確描述DSCM位移表征模式的是區(qū)域變形模式，其基本形式［11］:

各參數(shù)含義表示見圖2。

圖2 散斑子區(qū)域內(nèi)變形(位移)Fig．2 Speckle displacement

用DSCM方法處理數(shù)字散斑圖時(shí)，為了判斷所找到的目標(biāo)子區(qū)與樣本子區(qū)是否相對(duì)應(yīng)，必須用數(shù)學(xué)手段建立一個(gè)衡量圖像相似過程的標(biāo)準(zhǔn)。由于相關(guān)系數(shù)是2個(gè)變量之間相互關(guān)系的定量描述，因此這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可用樣本子區(qū)與目標(biāo)子區(qū)的相關(guān)系數(shù)(DCC)來表示［12］，定義圖像的相關(guān)系數(shù)為

其中，f=f(i，j)，g=(i+u，j+u)分別是以源點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)為中心的散斑圖的灰度值。

歸一化相關(guān)函數(shù)在模板區(qū)域內(nèi)有最大值，通過亞像素插值來搜索與變形前匹配的變形后的準(zhǔn)確位置，從而確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相對(duì)位移，而應(yīng)變是位移的導(dǎo)數(shù)，經(jīng)轉(zhuǎn)化即可得到應(yīng)變數(shù)據(jù)。整個(gè)開發(fā)的系統(tǒng)技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 DSCM技術(shù)流程圖Fig．3 Flow chart of DSCM

3 試驗(yàn)及驗(yàn)證過程

3．1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig．4 Testing system

C/C復(fù)合材料在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，通過加熱系統(tǒng)自動(dòng)升溫，用數(shù)字散斑設(shè)備作為非接觸式應(yīng)變測(cè)量計(jì)采集變形數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到隨時(shí)間變化的實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)。

數(shù)字散斑測(cè)量裝置包括:1個(gè)分辨率為1 280×960 pixel的工業(yè)CCD相機(jī)MVVD078SM，1個(gè)LED光源，1臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)，數(shù)字散斑變形測(cè)量分析系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理軟件，三角架，及其他輔助器件如75 mm鏡頭，若干種濾光片(包括線偏振片，藍(lán)光濾光片，減光片，uv鏡，各波段帶通濾光片)等。

3．2 試樣的制備

試驗(yàn)前，根據(jù)數(shù)字散斑測(cè)量的要求，需在試樣噴涂鎢粉作為散斑。過程如下:根據(jù)試驗(yàn)所需斑點(diǎn)要求設(shè)計(jì)模具，通過在模具表面噴涂鎢，噴涂工作氣體選用氮?dú)夂蜌錃?，噴涂至所需厚度，噴涂完成后去掉模具，即可得到表面帶網(wǎng)格的試樣。試樣結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 試樣結(jié)構(gòu)Fig．5 Diagram of the sample structure

3．3 試驗(yàn)步驟

(1)試樣裝夾完畢后，加載一定的預(yù)緊力;安裝測(cè)量設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，打開光源，進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，視場(chǎng)128 mm×96 mm;

(2)布置其他測(cè)量設(shè)備，測(cè)量距離為300 mm，并保證被測(cè)試件在整個(gè)測(cè)量過程中都不超出視場(chǎng);

(3)試樣開始升溫，升溫速率100℃/s;

(4)當(dāng)溫度升至試驗(yàn)溫度時(shí)，將試樣拉緊至初始設(shè)定的預(yù)緊力;

(5)繼續(xù)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸，同時(shí)采用圖像采集卡進(jìn)行圖像采集，采集速度2幀/s;

(6)在一系列散斑圖中取出待相關(guān)運(yùn)算的圖像，并在圖像特定的地方選取待相關(guān)運(yùn)算的模板，用此模板對(duì)每幀散斑圖做相關(guān)匹配，對(duì)拉伸后相應(yīng)的散斑特征定位，獲得應(yīng)變值。

3．4 試驗(yàn)參數(shù)

對(duì)5根軸棒C/C試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，非接觸式數(shù)字散斑測(cè)量應(yīng)變的試驗(yàn)在2 600℃下進(jìn)行，環(huán)境溫度21℃、濕度40%;采集間隔為100 ms，濾光片為4片ND8+2片ND4+1片ND2。加載速率為2 mm/min，升溫速率約為100℃/s。

3．5 試驗(yàn)結(jié)果分析

在2 600℃高溫下，C/C復(fù)合材料所發(fā)出的光波與所噴涂的散斑-鎢粉所發(fā)出的光波，經(jīng)過偏光鏡+濾光鏡對(duì)光線進(jìn)行窄帶濾波后，消除熱輻射影響，只留對(duì)應(yīng)鎢在2 600℃時(shí)的光斑，應(yīng)用DSCM所得種子點(diǎn)選取及應(yīng)變分布如圖6所示。

圖6 軸棒C/C試樣計(jì)算區(qū)域和應(yīng)變分布圖Fig．6 C/C composites strain distribution in the fracture process

將試樣變形過程中的每一幀圖片為橫軸，對(duì)應(yīng)的變形量為縱軸，得到應(yīng)變-狀態(tài)如圖7所示。將所得數(shù)據(jù)結(jié)合軸棒C/C復(fù)合材料的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn):(1)DSCM測(cè)量出的應(yīng)變數(shù)據(jù)與軸棒C/C復(fù)合材料應(yīng)變特點(diǎn)趨勢(shì)基本相符;(2)試驗(yàn)中試樣有效段為40 mm，數(shù)字散斑測(cè)應(yīng)變范圍30～100 mm，測(cè)量精度1 μm，試樣在可測(cè)量范圍內(nèi)。DSCM有著非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、可重復(fù)性強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于材料的應(yīng)變測(cè)量有很高的精度，離散系數(shù)小。因此，總體上可判斷DSCM可應(yīng)用于高溫測(cè)量C/C復(fù)合材料的應(yīng)變中來。為C/C復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能測(cè)量奠定了良好的試樣基礎(chǔ)，即可通過開發(fā)配套軟件，實(shí)現(xiàn)用一套測(cè)試設(shè)備完成C/C復(fù)合材料壓縮應(yīng)變測(cè)試、剪切應(yīng)變測(cè)試、彎曲應(yīng)變測(cè)試等，從而避免由試樣形狀及受力方向不同對(duì)應(yīng)變測(cè)試設(shè)備的限制。

圖7 數(shù)字散斑法測(cè)量軸棒C/C試樣的應(yīng)變-狀態(tài)曲線Fig．7 The strain-state curve of C/C composites

試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)彈性階段不明顯;(2)整體而言，開始加載后有一段上升階段，但是很短，隨后是很長(zhǎng)的平穩(wěn)狀態(tài)(類似塑性階段)，在即將斷裂時(shí)，應(yīng)變快速增加。

5根試樣數(shù)字散斑測(cè)量應(yīng)變所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示，其中斷裂應(yīng)變(簡(jiǎn)記為εt)，均值(簡(jiǎn)記為)，標(biāo)準(zhǔn)差(簡(jiǎn)記為S)，離散系數(shù)(簡(jiǎn)記為Cv)。

表1 數(shù)字散斑測(cè)量應(yīng)變值Table 1 Strain of C/C composites measured by DSCM

4 結(jié)論

(1)在C/C復(fù)合材料試樣表面噴涂鎢粉作為散斑點(diǎn)，通過二者光波帶寬的不同，經(jīng)過濾光、圖像采集、種子點(diǎn)選取及種子點(diǎn)追蹤計(jì)算后，試驗(yàn)結(jié)果證明，用DSCM測(cè)量C/C復(fù)合材料在2 600℃下的應(yīng)變是可行的。

(2)DSCM測(cè)量精度高，能夠滿足目前試樣尺寸對(duì)誤差控制的要求，為C/C復(fù)合材料在更高溫下的應(yīng)變測(cè)量提供了新的思路。

(3)通過一套裝置開發(fā)軟件系統(tǒng)，即可測(cè)量不同形式的應(yīng)變(如壓縮、彎曲、剪切等的應(yīng)變測(cè)量)，這是接觸式測(cè)應(yīng)變無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

由于C/C復(fù)合材料的工作溫度約為2 800℃，但目前該試驗(yàn)最高溫度僅能達(dá)到2 600℃。在以后的研究中，可通過增加濾光、加厚噴涂耐高溫材料做散斑、改進(jìn)測(cè)量方式等方面，對(duì)數(shù)字散斑在測(cè)量更高溫度下材料應(yīng)變的方式做進(jìn)一步的研究。

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