本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)形變測量技術(shù)，具體涉及一種在線施加沖擊載荷的動態(tài)燒蝕測量裝置及其測量方法。

背景技術(shù)：

發(fā)動機是飛行器的核心部件，是飛行器機動性、航程、可靠性、經(jīng)濟性及環(huán)境影響的決定性因素之一。航空發(fā)動機服役環(huán)境惡劣、因素復(fù)雜，材料對環(huán)境的響應(yīng)存在耦合效應(yīng)，而不是單一環(huán)境作用結(jié)果的疊加。為此，各國在相應(yīng)的重大材料研究計劃中，都將材料的環(huán)境性能模擬作為主要內(nèi)容，如美國1988年制定的飛機用復(fù)合材料計劃、1990年nasa、doe和dod聯(lián)合制定的先進熱機陶瓷技術(shù)計劃和日本1993年制定的未來汽輪發(fā)電機的先進材料計劃(amg)等都不約而同地要求建立材料的環(huán)境性能表征和數(shù)據(jù)庫，并首先發(fā)展了環(huán)境模擬方法，其中包括實驗?zāi)M和數(shù)值模擬兩方面。

在實驗?zāi)M方面，目前存在兩種方法：第一種是采用全環(huán)境因素試驗，直接獲取材料的試驗結(jié)果。盡管全環(huán)境模擬方法和設(shè)備越來越逼近真實環(huán)境，但缺點也顯而易見，那就是模擬設(shè)備的投資和環(huán)境考核試驗的成本成倍上升。第二種是從環(huán)境與材料相互作用的物理和化學(xué)本質(zhì)出發(fā)，發(fā)展新型模擬理論與實驗方法。這些方法的特點是以材料損傷與破壞的環(huán)境控制因素和材料性能控制因素為依據(jù)，將全環(huán)境因素模擬簡化為控制因素的實驗?zāi)M。針對發(fā)動機用結(jié)構(gòu)材料的環(huán)境與材料模擬，目前絕大部分的研究還集中在材料本身的物理化學(xué)性能，對材料的性質(zhì)考核主要集中在燒蝕試驗方面，而對于燒蝕過程中環(huán)境的耦合效應(yīng)模擬考慮得不多。尤其是在實際使用中由于發(fā)動機吸入外來顆粒或發(fā)動機本身結(jié)構(gòu)的破損，發(fā)動機結(jié)構(gòu)用材料會受到某些顆粒物的撞擊。有時，硬物也會撞擊航空發(fā)動機高溫端的渦輪葉片，引起熱障涂層的嚴重損壞。葉片前緣的裂痕將會發(fā)展成疲勞裂縫，并蔓延而使整個葉片損壞。針對材料實際工作條件中可能受到的沖擊載荷的模擬，由于燒蝕試驗本身的復(fù)雜性以及實驗平臺搭建的困難，導(dǎo)致到目前并沒有對材料在燒蝕條件下施加沖擊載荷的考慮，而這與材料的實際中受到的工況存在明顯差距，因此無法更加準確地模擬描述材料在真實工作環(huán)境下的響應(yīng)。因此開展在線施加沖擊載荷這方面的工作非常重要，對提高材料服役性能也是起著至關(guān)重要的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種在線施加沖擊載荷的動態(tài)燒蝕測量裝置及其測量方法，可實現(xiàn)材料或結(jié)構(gòu)在燒蝕的過程中在線施加沖擊載荷，模擬材料或結(jié)構(gòu)件在實際使用過程中受沖擊載荷的情況，同時對試驗過程進行溫度定量采集、動態(tài)燒蝕過程圖像捕捉、試樣變形情況的圖像捕捉；并在此裝置基礎(chǔ)上提出材料或結(jié)構(gòu)件在受沖擊條件下的燒蝕測試方法。

本發(fā)明的一個目的在于提出一種在線施加沖擊載荷的動態(tài)燒蝕測量裝置。

本發(fā)明的在線施加沖擊載荷的動態(tài)燒蝕測量裝置包括：動態(tài)燒蝕平臺、沖擊載荷施加裝置、火焰加熱裝置、激光測速儀、溫度測量系統(tǒng)、試樣夾持裝置、第一至第三攝像機和圖像處理系統(tǒng)；其中，試樣夾持裝置安裝在動態(tài)燒蝕平臺上；試樣安裝在試樣夾持裝置內(nèi)，試樣的正面為撞擊面，與撞擊面相對的面為背面；沖擊載荷施加裝置正對試樣的撞擊面安裝在動態(tài)燒蝕平臺上；在沖擊載荷施加裝置與試樣的撞擊面之間設(shè)置激光測速儀；火焰加熱裝置的噴嘴對準試樣的撞擊面；溫度測量系統(tǒng)對著試樣的撞擊面；第一攝像機對著試樣的撞擊面，第二和第三攝像機分別位于不同的角度對著試樣的背面；第一至第三攝像機分別連接至圖像處理系統(tǒng)；燒蝕前，第一攝像機采集試樣的撞擊面的二維圖像，以及第二和第三攝像機采集試樣的背面的三維圖像，作為初始參考圖像；火焰加熱裝置的噴嘴對準試樣的撞擊面進行燒蝕，同時第一至第三攝像機采集試件的圖像；溫度測量系統(tǒng)采集試樣的撞擊面的溫度，當(dāng)達到預(yù)定溫度時，沖擊載荷施加裝置發(fā)射沖擊物，撞擊試樣的撞擊面；激光測速儀測量沖擊物的速度，從而得到撞擊能量；第一攝像機獲得燒蝕過程中試樣的撞擊面的燒蝕變化的圖像，圖像處理系統(tǒng)分析撞擊面的燒蝕變化的圖像，得到撞擊前和撞擊后的燒蝕速率的變化量；第二和第三攝像機分別實時獲得燒蝕過程中試樣的背面的不同角度的圖像，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)雙目立體視覺的原理得到背面的三維變形場；撞擊能量輸入至圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)分析撞擊能量與燒蝕速率的變化量和三維變形場之間的關(guān)系，從而獲得撞擊能量對試件的影響。

沖擊載荷施加裝置包括底座、充氣口、充氣開關(guān)、發(fā)射開關(guān)、氣室、沖擊物、炮管、彈托和彈托回收器；其中，底座安裝在動態(tài)燒蝕平臺上；在氣室的一端設(shè)置炮管；氣室和炮管安裝在底座上，炮管正對試樣的撞擊面；在炮管內(nèi)設(shè)置彈托，沖擊物放置在彈托內(nèi)，在炮管的頂端設(shè)置彈托回收器；在氣室的另一端設(shè)置充氣口，在充氣口上分別設(shè)置有充氣開關(guān)和發(fā)射開關(guān)；控制充氣開關(guān)，通過充氣口向氣室內(nèi)充氣；打開發(fā)射開關(guān)，利用氣壓差，將高壓氣體從炮管釋放，推動彈托運動，從而將沖擊物從炮管發(fā)射出，彈托回收器將彈托留在炮管內(nèi)。根據(jù)發(fā)射物的尺寸和材料選擇相應(yīng)尺寸的彈托。通過控制充氣口向氣室充氣，控制氣室內(nèi)的氣壓，從而控制沖擊物的發(fā)射速度；可施加單次沖擊或連續(xù)多次沖擊。炮管的軸線為沖擊載荷施加裝置的中心線，沖擊物和彈托的中心線與炮管的軸線重合。

火焰加熱裝置包括導(dǎo)管和噴嘴；其中，導(dǎo)管連接至噴嘴，噴嘴正對試件的撞擊面；采用氣體加熱或電弧加熱等方式；采用一個噴嘴或采用多個噴嘴組成的陣列。

溫度測量系統(tǒng)包括紅外測溫儀和計算機；其中，紅外測溫儀連接至計算機；紅外測溫儀采集試件撞擊面的溫度，將數(shù)據(jù)傳輸至計算機。

激光測速儀、紅外測溫儀以及第一至第三攝像機分別通過各自的支架安裝在動態(tài)燒蝕平臺上。

試樣加持裝置包括試樣架底座、支撐架、轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)支架和夾板；其中，試樣架底座固定在動態(tài)燒蝕平臺上；旋轉(zhuǎn)支架的底端通過轉(zhuǎn)軸安裝在試樣架底座上，旋轉(zhuǎn)支架的頂端通過支撐架與試樣架底座安裝固定；試樣通過夾板固定在旋轉(zhuǎn)支架上；試樣的中心位于沖擊載荷施加裝置的中心線上；通過轉(zhuǎn)軸使試樣與沖擊物的發(fā)射方向形成不同的角度。

本發(fā)明的另一個目的在于提供一種在線施加沖擊載荷的動態(tài)燒蝕測量方法。

本發(fā)明的在線施加沖擊載荷的動態(tài)燒蝕測量方法，包括以下步驟：

1)在燒蝕前，第一攝像機采集試樣的撞擊面的二維圖像，以及第二和第三攝像機采集試樣的背面的三維圖像，作為初始參考圖像；

2)火焰加熱裝置的噴嘴對準試樣的撞擊面進行燒蝕，同時第一至第三攝像機采集試件的圖像，溫度測量系統(tǒng)實時采集試樣的撞擊面的溫度；

3)當(dāng)達到預(yù)定溫度時，沖擊載荷施加裝置發(fā)射沖擊物，撞擊試樣的撞擊面；

4)激光測速儀測量沖擊物的速度，從而得到撞擊能量；

5)第一攝像機獲得燒蝕過程中試樣的撞擊面的燒蝕變化的圖像，圖像處理系統(tǒng)分析撞擊面的燒蝕變化的圖像，得到撞擊前和撞擊后的燒蝕速率的變化量；

6)第二和第三攝像機分別實時獲得燒蝕過程中試樣的背面的不同角度的圖像，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)雙目立體視覺的原理得到背面的三維變形場；

7)根據(jù)試件的彈性模量和泊松比得到試件的應(yīng)力場；

8)將撞擊能量輸入至圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)分析撞擊能量與燒蝕速率的變化量和三維變形場之間的關(guān)系，從而獲得撞擊能量對試件的影響。

其中，在步驟4)中，激光測速儀測量沖擊物的速度為v，根據(jù)沖擊物的重量m，可求得沖擊物所具有的撞擊能量q：

在步驟5)中，通過第一攝像機獲得燒蝕過程中試樣的撞擊面的燒蝕變化的圖像，得到撞擊前和撞擊后的燒蝕速率的變化量，具體包括以下步驟：

a)第一攝像機拍攝得到的試樣的撞擊面燒蝕變化過程的圖像，通過放慢高速攝影得到燒蝕過程動畫，觀察并分析試樣的撞擊面氧化物生成、流動和演化的動態(tài)過程；

b)通過試樣的撞擊面燒蝕變化過程的圖像，計算試樣的撞擊面的燒蝕面積隨時間的變化情況，得到試樣在沖擊前的燒蝕速率函數(shù)u1，以及試樣承受撞擊后的燒蝕率函數(shù)u2，燒蝕速率的變化量δu為：δu＝u2-u1。

在步驟6)中，第二和第三攝像機分別實時獲得燒蝕過程中試樣的背面的不同角度的圖像，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)雙目立體視覺的原理得到背面的三維變形場，具體包括以下步驟：

a)在燒蝕開始前對第二攝像機和第三攝像機進行三維立體標(biāo)定；

b)根據(jù)雙目立體視覺的原理，通過事先標(biāo)定的結(jié)果對第二攝像機和第三攝像機拍攝得到的圖像中匹配到的點進行三維重建，得到在某一時刻所測試樣的背面的三維坐標(biāo)；

c)前后兩個不同時刻所得空間坐標(biāo)之差即為該點的三維位移(u,v,w)，通過對位移場求梯度可求得試樣的背面的三維變形場(εx,εy,εxy)。

本發(fā)明的優(yōu)點：

本發(fā)明采用沖擊載荷施加裝置，在試件的燒蝕過程中加載沖擊載荷，能夠根據(jù)實際工況選擇合適的沖擊物的尺寸及材料，以及選擇沖擊模式及角度，進而模擬試樣工作的實際受沖擊情況，提供更接近于實際使用環(huán)境的試樣模擬效果；同時結(jié)合溫度測量系統(tǒng)與圖像處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)對材料氧化燒蝕過程的溫度定量測量、動態(tài)燒蝕過程圖像捕捉以及試樣的動態(tài)變形測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的在線施加沖擊載荷的動態(tài)燒蝕測量裝置的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實施例的在線施加沖擊載荷的動態(tài)燒蝕測量裝置包括：動態(tài)燒蝕平臺1、沖擊載荷施加裝置、火焰加熱裝置31和32、激光測速儀4、溫度測量系統(tǒng)51和52、試樣夾持裝置、第一至第三攝像機71～73、以及圖像處理系統(tǒng)8；其中，試樣夾持裝置安裝在動態(tài)燒蝕平臺1上；試樣0安裝在試樣夾持裝置內(nèi)，試樣0的正面為撞擊面，與撞擊面相對的面為背面；沖擊載荷施加裝置正對試樣的撞擊面安裝在動態(tài)燒蝕平臺上；在沖擊載荷施加裝置與試樣的撞擊面之間設(shè)置激光測速儀；火焰加熱裝置的噴嘴對準試樣的撞擊面；溫度測量系統(tǒng)對著試樣0的撞擊面；第一攝像機71正對試樣的撞擊面，第二和第三攝像機72和73分別位于不同的角度對著試樣0的背面；第一至第三攝像機分別連接至圖像處理系統(tǒng)。

沖擊載荷施加裝置包括底座21、充氣口22、充氣開關(guān)23、發(fā)射開關(guān)24、氣室25、沖擊物26、炮管27、彈托28和彈托回收器29；其中，底座21安裝在動態(tài)燒蝕平臺1上；在氣室25的一端設(shè)置炮管27；氣室25和炮管27安裝在底座上；在炮管27內(nèi)設(shè)置彈28托，沖擊物26放置在彈托28內(nèi)，在炮管27的頂端設(shè)置彈托回收器29；在氣室25的另一端設(shè)置充氣口22，在充氣口22上分別設(shè)置有充氣開關(guān)23和發(fā)射開關(guān)24。

火焰加熱裝置包括導(dǎo)管32和噴嘴31；其中，導(dǎo)管32連接至噴嘴31，噴嘴正對試件的撞擊面。

溫度測量系統(tǒng)包括紅外測溫儀51和計算機52；其中，紅外測溫儀51連接至計算機52。

試樣加持裝置包括試樣架底座61、支撐架62、轉(zhuǎn)軸63、旋轉(zhuǎn)支架64和夾板65；其中，試樣架底座61固定在動態(tài)燒蝕平臺1上；旋轉(zhuǎn)支架64的底端通過轉(zhuǎn)軸63安裝在試樣架底座61上，旋轉(zhuǎn)支架的頂端通過支撐架與試樣架底座安裝固定；試樣0通過夾板65固定在旋轉(zhuǎn)支架64上；試樣的中心位于沖擊載荷施加裝置的中心線上；通過轉(zhuǎn)軸使試樣與沖擊物的發(fā)射方向形成不同的角度。

本實施例的在線施加沖擊載荷的動態(tài)燒蝕測量方法，包括以下步驟：

1)在燒蝕前，第一攝像機采集試樣的撞擊面的二維圖像，以及第二和第三攝像機從不同的角度拍攝試樣的背面的圖像，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)雙目視覺原理得到試樣的背面的三維圖像，作為初始參考圖像。

2)火焰加熱裝置的噴嘴對準試樣的撞擊面進行燒蝕，同時第一至第三攝像機采集試件的圖像，溫度測量系統(tǒng)實時采集試樣的撞擊面的溫度。

3)當(dāng)達到預(yù)定溫度時，沖擊載荷施加裝置發(fā)射沖擊物，撞擊試樣的撞擊面。

4)激光測速儀測量沖擊物的速度為v，根據(jù)沖擊物的重量m，可求得沖擊物所具有的撞擊能量q：

5)第一攝像機獲得燒蝕過程中試樣的撞擊面的燒蝕變化的圖像，圖像處理系統(tǒng)分析撞擊面的燒蝕變化的圖像，得到撞擊前和撞擊后的燒蝕速率的變化量：

a)第一攝像機拍攝得到的試樣的撞擊面燒蝕變化過程的圖像，通過放慢高速攝影得到燒蝕過程動畫，觀察并分析試樣的撞擊面氧化物生成、流動和演化的動態(tài)過程；

b)通過試樣的撞擊面燒蝕變化過程的圖像，計算試樣的撞擊面的燒蝕面積隨時間的變化情況，得到試樣在沖擊前的燒蝕速率函數(shù)u1，以及試樣承受撞擊后的燒蝕率函數(shù)u2，燒蝕速率的變化量δu為：δu＝u2-u1。、

6)第二和第三攝像機分別實時獲得燒蝕過程中試樣的背面的不同角度的圖像，圖像處理系統(tǒng)根據(jù)雙目立體視覺的原理得到背面的三維變形場：

a)在燒蝕開始前對第二攝像機和第三攝像機進行三維立體標(biāo)定；

b)根據(jù)雙目立體視覺的原理，通過事先標(biāo)定的結(jié)果對第二攝像機和第三攝像機拍攝得到的圖像中匹配到的點進行三維重建，得到在某一時刻所測試樣的背面的三維坐標(biāo)；

c)前后兩個不同時刻所得空間坐標(biāo)之差即為該點的三維位移(u,v,w)，通過對位移場求梯度可求得試樣的背面的三維變形場(εx,εy,εxy)。

7)根據(jù)試件的彈性模量和泊松比得到試件的應(yīng)力場。

8)將撞擊能量輸入至圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)分析撞擊能量與燒蝕速率的變化量和三維變形場之間的關(guān)系，從而獲得撞擊能量對試件的影響。

最后需要注意的是，公布實施例的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準。