CN101666733B - 一种测量材料热震行为的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量材料热震行为的方法和装置，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。该测量装置包括气垫精密光学平台、温控开关、PID温度控制仪、红外测温仪、LED灯支架、LED灯、三角支架、镜头、高速摄像机、计算机、试件、热电偶、氧化铝陶瓷、石棉网、加热炉、保温护罩、滴管、架台。本发明将加热设备与光学摄影器材结合起来，巧妙地利用数字图像相关方法，提供一种测量材料热震行为的方法和装置，该发明思路新颖、结构紧凑、体系完备，可实现对材料的热震性能的定量分析与测试。

Description

一种测量材料热震行为的方法

技术领域

本发明涉及一种测量材料热震行为的方法和装置，属于工程材料、结构形变及力学实验技术领域。 

背景技术

热震行为有着广泛的工程实际背景，尤其是在航天航空领域，各类飞行器穿越大气层时会和空气摩擦在瞬间产生剧烈的热冲击，飞机发动机启动时热端部件及叶片也会承受剧烈的热冲击，导致材料在很短的时间内产生严重的热应力，从而造成材料的破坏。材料的抗热震性能取决于材料内部热应力，而热应力的大小取决于其力学性能和热学性能，材料的热导率和热膨胀系数对温度都十分敏感，随着温度的大幅度变化材料的弹性模量、强度等也会发生较大的变化，同时抗热震性能还受构件的几何形状和环境介质等因素的影响，所以材料的抗热震性能必将是其力-热耦合对应于剧烈热冲击条件及其外界约束的综合反映。从上个世纪50年代开始有诸多科学家对材料的抗热震性能在理论和实验上进行了大量的研究，并取得了一定的成效，建立了一些人们较为普遍接受的理论。热冲击的物理过程十分复杂，在前人的工作中，一般都只是对热震进行了定性的研究，即将材料加热后投入水中使其剧烈冷却，材料发生破坏后再取出来对其进行分析，而对材料在高温下从被冷却一开始到裂纹产生和裂纹扩展都缺乏清晰的认识。当前虽然有一定的理论解释，但尚不完善，还不能建立反映实际材料在各种使用状况下的热冲击数学模型，已有热震参数公式表征材料抗热震性能时没有考虑温度对材料物理性能的影响，众多研究表明热震的实验数据和目前通常采用的热震参数之间缺少定量的联系，抗热震评价理论和测试也还存在根本性的缺陷。 

数字图像相关方法是上世纪八十年代初发展的一种非接触式全场光学测量方法，它本质上属于一种基于现代数字图像处理和分析技术的新型光测技术，它通过分析变形前后物体表面的数字图像获得被测物体表面的变形(位移和应变)信息。与其它基于相关光波干涉原理的光测方法相比，数字图像相关方法显然具有一些特殊的优势：实验设备、实验过程简单；对测量环境和隔振要求较低；易于实现测量过程的自动化；不需要进行干涉条纹定级和相位处理；适用测量范围广泛。 

当前国际上尚没有很好的办法来对材料的热震行为展开定量的分析，大都是将材料加热后投入水中使其发生破坏，然后拿出对材料进行一些定性的研究。 

发明内容

本发明提供一种测量材料热震行为的方法和装置，该发明可实现对材料的热震性能的定量分析与测试。 

本发明的技术方案如下： 

一种测量材料热震行为的装置，其特征在于：该测量装置包括加热装置，计算机采集处理系统，红外测温仪4和滴管17；所述加热装置包括加热炉15、热电偶12和PID温度控制仪3；所述的滴管17通过可升降的架台18设置在试件11的上方；所述计算机采集处理系统包括计算机10、高速摄像机9、镜头8和LED灯6；所述镜头8的轴线与被测试件11的表面法线保持平行；所述的高速摄像机通过三角支架7进行固定。 

本发明中所述的加热炉15放置在用来减少空气热对流的保温护罩16里面。 

本发明中所述加热炉15上设有石棉网14和氧化铝陶瓷13，将被测试件11放置在氧化铝陶瓷13上。 

本发明中所述的测量材料热震行为的装置还包括一个气垫精密光学平台1上，所述架台18和保温护罩16放置在气垫精密光学平台1上。 

本发明还提供了一种测量材料热震行为的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)首先对试件11进行制作散斑； 

2)开启高速摄像机； 

3)对试件进行加热，待加热炉温度稳定后用红外测温仪记录试件的温度； 

4)打开LED灯，操作滴管将水滴入试件表面中心位置，同时使用高速摄像机拍摄水滴与试件作用的整个物理过程； 

5)将计算机10采集到的图片用数字相关方法进行分析，对于未变形前的图像每一点(x，y)具有一个灰度值f(x，y)，变形后图像子区中每一点(x′，y′)具有一个新的灰度值g(x′，y′)，通过以下相关函数 

$C_{f,g}\left(\stackrel{\→}{p}\right)=\frac{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[f(x,y)-f_m]\×[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}{\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[f(x,y)-f_m]}^2}\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}^2}}$

其中 $\stackrel{\→}{p}={(u,u_x,u_y,v,v_x,v_y)}^T,$ f_m为变形前图像子区灰度的平均值，g_m为变形后图像子区的平均值，通过对相关函数 求极值，可求得每一点的位移(u，v)，通过局部最小二乘拟合原理可以由位移场进一步计算出应变场(ε_x，ε_y，γ_xy)；根据以下公式，其中E是材料的弹性模量，μ是泊松比， 

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\μ\ϵ}}_y)$

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_y+{\mathrm{\μ\ϵ}}_x)$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{E}{2(1+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}$

可以计算出应力场。 

在本发明所述的一种测量材料热震行为的方法中，其特征在于：步骤1)中对于温度在300℃以上条件下的测试采用在材料表面用普通刀具或玻璃刀刻画十字架的方法进行散斑制作。 

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：将数字图像相关技术与高速摄影巧妙地结合起来，能够对材料受热冲击作用的过程进行精确的记录并可实现定量的分析；将传统的加热炉进行改造，增加了保温护罩，使测量环境更加稳定可靠；提出了一种新的制作散斑的方法，使得某些本身不能提供随机匹配特征的材料可通过制斑在高温下使用数字图像相关技术对其进行分析；本发明突破了多年来对热冲击只能进行定性分析这个难点，通过本发明建立的材料抗热震性能测试方法可为各类材料的抗热震能力提供一个标准。 

附图说明

图1本发明一种测量材料热震行为的方法和装置示意图。 

图2是本发明中所提出的针对高温制作散斑的用普通刀具或玻璃刀刻画十字架方法示意图。 

图3(a)参考图像及计算区域示意图。 

图3(b)计算图形-水滴作用5.75毫秒后材料的表面形貌图。 

图3(c)水滴作用5.75毫秒后计算区域内的位移分布图，左边为X方向的位移场分布，右边为y方向的位移分布图。 

图中：1-气垫精密光学平台、2-温控开关、3-PID温度控制仪、4-红外测温仪、5-LED灯支架、6-LED灯、7-三角支架、8-镜头、9-高速摄像机、10-计算机、11-试件、12-热电偶、13-氧化铝陶瓷、14-石棉网、15-加热炉、16-保温护罩、17-滴管、18-架台。 

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构和实施方式，但不应以此限制本发明的保护范围。 

图1是一种测量材料热震行为的方法和装置，其特征在于：该测量装置包括气垫精密光学平台1、温控开关2、PID温度控制仪3、红外测温仪4、LED灯支架5、LED灯6、三角支架7、镜头8、高速摄像机9、计算机10、试件11、热电偶12、氧化铝陶瓷13、石棉网14、加热炉15、保温护罩16、滴管17、架台18。本发明中所述的气垫精密光学平台1是用来放置LED灯支架5及LED灯6、三角支架7及高速摄像机9、加热炉15及保温护罩16、架台18及滴管(17)等设备的，整个测量过程都是在此精密光学平台上进行的。光学平台能够起到 很好的隔振效果，可以使整个实验过程在无环境振动的条件下进行，减少外界条件的影响，使整个测量系统达到比较好的稳定性，增加材料热震行为测试结果的精度，在条件不足的情况下可以省去此装置，不会对结果造成关键性的、重大的影响。本发明中以上所述温控开关2、PID温度控制仪3、热电偶12、氧化铝陶瓷13、石棉网14、加热炉15、保温护罩16构成整个加热系统；石棉网14放置在加热炉15的盘式电阻丝表面中心位置，氧化铝陶瓷13置于石棉网14的中心位置，试件11放置于氧化铝陶瓷13上面；热电偶12放置在氧化铝陶瓷13上并紧贴于试件11侧面。本发明中的红外测温仪4可实现对试件表面瞬时温度的精确记录。本发明中的架台18和滴管17放置于精密光学平台1之上，滴管17可按预定目标进行滴水，并能上下移动精确控制水滴坠落到试件表面时速度。本发明中的镜头8、高速摄像机9、三角架7、LED灯6及其支架5、计算机10共同构成该发明的图像采集处理系统。镜头8、高速摄像机9及三角架7置于精密光学平台1之上，可对瞬态物理过程及现象的精确记录；LED灯6及其支架5置于精密光学平台上，为高速摄像机提供均匀、高强度的光源。本发明中的试件11需要对其进行制作散斑。 

利用本发明可实现一种测量材料热震行为的方法，其具体过程如下： 

a.对试件11进行制作散斑。散斑的制作有三种方式：一是材料表面的纹理本身就能提供随机的灰度分布可作为匹配特征；二是在加热300℃以下时可进行喷涂黑白漆制作散斑；三是本发明中提出的在材料表面用普通刀具或玻璃刀刻画十字架的方法可制作散斑(如附图2)； 

b.按附图1所示将温控开关2、PID温度控制仪3、LED灯支架5、LED灯6、三角架7、镜头8、高速摄像机9、计算机10、试件11、热电偶12、氧化铝陶瓷13、石棉网14、加热炉15、保温护罩16、滴管17、架台18安装好，连接好相关线路，接通电源； 

c.开启计算机10，打开高速摄像机9的控制软件，按预定目标对镜头8进行调焦； 

d.打开加热炉15及PID温度控制仪3，操作PID温度控制仪3设定好温度对试件11进行加热； 

e.待加热炉15温度稳定后后用红外测温仪记下试件的精确温度，同时给滴管17准备好少量纯净水； 

f 打开强光源LED灯6，设定好高速摄像机9的拍摄频率及拍摄的区域； 

g.操作滴管17将水滴入试件11的表面中心位置，同时使用高速摄像机9拍摄水滴与试件11作用的整个物理过程； 

h.将计算机10采集到的图片用数字相关方法进行分析，对于未变形前的图像每一点(x，y)具有一个灰度值f(x，y)，变形后图像子区中每一点(x′，y′)具有一个新的灰度值g(x′，y′)，通过以下相关函数 

$C_{f,g}\left(\stackrel{\→}{p}\right)=\frac{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[f(x,y)-f_m]\×[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}{\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[f(x,y)-f_m]}^2}\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}^2}}$

其中 $\stackrel{\→}{p}={(u,u_x,u_y,v,v_x,v_y)}^T,$ f_m为变形前图像子区灰度的平均值，g_m为变形后图像子区的平均值，通过对相关函数 

求极值，可求得每一点的位移(u，v)，通过局部最小二乘拟合原理可以由位移场进一步计算出应变场(ε_x，ε_y，γ_xy)； 

i.根据以下公式，(其中E是材料的弹性模量，μ是泊松比) 

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_x+{\mathrm{\μ\ϵ}}_y)$

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_y+{\mathrm{\μ\ϵ}}_x)$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{E}{2(1+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}$

可以计算出应力场。 

实施例：下面通过我们进行的一个实验研究来说明一种测量材料热震行为的方法和装置的使用过程。材料：普通载玻片，我们在300℃左右的环境下进行试验，散斑制作为采用喷漆制作散斑。如下图所示，水滴开始作用时用红外测温仪测得的载玻片的精确温度是295℃。高速摄像机的拍摄频率为4000帧/每秒，我们计算了水滴作用5.75毫秒后图示方框区域内x、y方向的位移变化(图中位移大小是以像素为单位的，0.125mm/pixels)。 

Claims (2)

1.一种测量材料热震行为的方法，该方法采用如下测量装置，该测量装置含有加热装置、计算机采集处理系统、红外测温仪(4)和滴管(17)；所述加热装置包括加热炉(15)、热电偶(12)和PID温度控制仪(3)；所述的滴管(17)通过可升降的架台(18)设置在试件(11)的上方；所述计算机采集处理系统包括计算机(10)、高速摄像机(9)、镜头(8)和LED灯(6)，所述镜头(8)的轴线与被测试件(11)的表面法线保持平行，所述的高速摄像机通过三角支架(7)进行固定；

其特征在于所述方法包括如下步骤：

1)首先对试件(11)进行制作散斑；

2)开启高速摄像机；

3)对试件进行加热，待加热炉温度稳定后用红外测温仪记录试件的温度；

4)打开LED灯，操作滴管将水滴入试件表面中心位置，同时使用高速摄像机拍摄水滴

与试件作用的整个物理过程；

5)将计算机(10)采集到的图片用数字相关方法进行分析，对于未变形前的图像每一点(x，y)具有一个灰度值f(x，y)，变形后图像子区中每一点(x′，y′)具有一个新的灰度值g(x′，y′)，通过以下相关函数：

$C_{f,g}\left(\stackrel{\→}{p}\right)=\frac{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}[f(x,y)-f_m]\×[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}{\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[f(x,y)-f_m]}^2}\sqrt{\underset{x=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{y=-M}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{[g(x^{\′},y^{\′})-g_m]}^2}}$

其中

f_m为变形前图像子区灰度的平均值，g_m为变形后图像子区的平均值，通过对相关函数

求极值，可求得每一点的位移(u，v)，通过局部最小二乘拟合原理可以由位移场进一步计算出应变场(ε_x，ε_y，γ_xy)；根据以下公式，其中E是材料的弹性模量，μ是泊松比，

${\mathrm{\σ}}_x=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_x+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_y)$

${\mathrm{\σ}}_y=\frac{E}{1-{\mathrm{\μ}}^2}({\mathrm{\ϵ}}_y+\mathrm{\μ}{\mathrm{\ϵ}}_x)$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}=\frac{E}{2(1+\mathrm{\μ})}{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}$

即计算出应力场。

2.按照权利要求1所述的一种测量材料热震行为的方法，其特征在于：步骤1)中对于温度在300℃以上条件下的测试，采用在材料表面用普通刀具或玻璃刀刻画十字架的方法进行散斑制作。

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