基于数字图像相关方法和瞬态气动热环境模拟系统的高温变形测量技术研究

对航空航天材料和结构以及各种高温合金在高温环境下由力、热载荷引起的全场变形进行非接触式、高精度测量对于这些材料的安全设计、可靠性评定以及使用寿命预测都有着重要的意义。本项目主要研究一种将数字图像相关方法这一基于图像的变形测量方法和基于红外辐射加热技术的瞬态气动热环境模拟系统相结合的高温变形技术，以解决最高温度达1300℃模拟高温环境下高速飞行器材料、高温合金的全场变形的非接触、高精度测量问题。针对高温变形测量中由被测高温物体表面黑体辐射所引起的图像退相关问题，本项目将从滤波成像系统硬件设计和数字图像相关算法优化两个方面着手来减小和克服图像的退相关效应所引起的变形测量误差。本项目的研究成果将为高温环境下的航空航天材料和结构以及高温合金的变形测量和力学性能表征提供一种快速、有效和可靠的手段。

本项目对用于航空航天材料和高温合金在模拟气动加热下的高温变形测量的非接触、全场光测技术进行了研究，建立了基于石英灯阵列快速辐射加热技术和主动成像数字图像相关测量系统相结合的非接触高温变形光测系统，在国际上率先实现了最高1550oC的全场高温变形测量。本研究所取得的具体研究成果有：1）发展了一种实施简便、可耐受1600oC高温的散斑制作技术，使被测物体表面作为变形信息载体的散斑在高温环境下不会被氧化或烧蚀，仍然可被数字图像相关程序可靠识别和精确跟踪；2）提出并建立了高亮度单色光照明和窄带通滤波成像相结合的主动成像光学数字图像相关测量系统，有效减小了被测高温试样表面热辐射对成像系统亮度增强的不利影响；3）基于可靠性导向位移跟踪算法发展了一种抗干扰能力强的的序列增量可靠性导向数字图像相关算法，该位移测量算法在极端高温物体表面图像质量出现不可避免退化时仍可通过比较相邻图像获得增量变形场；4）本项目实验测量了镍基高温合金从室温到1300oC的全场高温热变形，所获得的热膨胀系数值与航空材料手册中数据非常吻合，但极大地拓展了已有文献中热膨胀系数数据的温度范围。本项目还测量了C/SiC复合材料板从室温到最高1550oC的全场高温变形，测量结果与该材料呈周期性分布的各向异性变形情况符合变形。