CN112649316A - 基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，它包括水槽，在水槽的上部设有悬臂梁，悬臂梁与空化泡发生装置连接，在水槽内还设有升降支架，升降支架用于托住靶材；空化泡发生装置位于靶材上方；在水槽的一侧还固设有高速摄像机，高速摄像机用于拍摄空化泡发生装置产生的空化泡对靶材的影响。通过采用上述的方案，明确了空蚀机理的基本原理，即空蚀损害由微射流造成，从而终止了现有关于空蚀机理的争论。本发明基于对靶材形变过程的实时追踪，可以准确获取距离靶材不同位置空化泡溃灭微射流对靶材形变量的影响程度。
Description
技术领域
本发明涉及空化泡检测领域，特别是一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置。
背景技术
空化造成的最普遍的工程问题就是空化泡在固体表面附近溃灭时造成的材料破坏。空蚀是综合了空化的破坏作用和边界材料抵抗空蚀能力的结果。空化泡的溃灭是一个剧烈的过程。空化泡在溃灭过程中，会在溃灭点附近的流体区域产生冲击波和微射流。目前，关于空蚀机理有两种解释，一是空化泡溃灭时发出冲击的冲击波论，另一是空化泡溃灭时形成微射流的微射流论。冲击波理论认为，空化泡在溃灭后，由于空化泡内存在非凝结气体而使空化泡回弹再生，产生出强烈的冲击波，对壁面造成冲击压力。非对称空化泡收缩溃灭时形成微小孔隙，而周围的水流通过其中心的孔隙射出，称微射流，其特点是流速高，流量小，时间短，作用面小。使用弹性抗空蚀材料可以有效避免空化泡溃灭时冲击波的破坏作用，但与此同时微射流的影响更加突出，目前缺乏空化泡溃灭微射流对弹性材料形变影响程度的评价方法。
申请号为201910508756.X的中国专利文献公开的测量空化泡溃灭冲击力的装置和方法是：由激光控制器控制YAG激光器发出激光，激光束经扩束聚焦系统在水槽中诱导产生空化泡，空泡溃灭后产生的微射流和冲击波作用力会直接作用于工件，工件产生形变作用于PVDF薄膜传感器，由传感器将力信号转化为电压信号，经过电荷放大器和示波器将信号传输到计算机上，从而实现测量空泡溃灭阶段微射流和冲击波作用力大小的目的。该方法无法获取空化泡溃灭时至PVDF薄膜传感器的距离，且从PVDF薄膜传感器的信号中无法分辨是冲击波还是微射流的作用力。
申请号为201310702903.X中国专利文献公开的激光空化射流力冲击作用的检测方法及装置，通过位于金属薄板上方的电涡流位移传感器检测金属薄板与传感器之间的间距变化引起的电压变化得到金属薄板的形变，再根据薄板的弹性变形及应力公式计算出激光空化射流力的冲击作用。但其一段通过悬臂梁固定于水槽壁的方式容易导致薄板变形不均匀，影响测量结果，且从传感器的信号中无法分辨是冲击波还是微射流的作用力。
申请号为201810557103.6的中国专利文献公开的一种单空泡溃灭与材料边界耦合特性多场测量平台，通过结构应力采集系统来采集测试板上应力变化，根据测试板壁面动态响应过程，分析不同初始距离下，测试板附近空泡溃灭载荷与测试板壁面形变的相互关系与作用机理,但其采样频率较低，只能分析测试板最终形变与空泡溃灭载荷之间的关系，无法精确判断空泡溃灭阶段各部分冲击力大小。
申请号为201510141582.X的中国专利文献公开的多系统自动化协调工作的激光诱导空化强化的装置及方法，采用了高速摄像机采集水槽内的图像。发明人采用了该方案，但是实际采集过程中，效果不太理想，很难获取清晰的图像，而且组成结构复杂、成本高昂。该方法需要在空化泡对靶材的作用结束后，取出并清洗靶材表面，分析其残余应力分布，来确定激光空化强化的效果，因而对空化效果的评价是从残余应力分布结果反推的，并不能明确是空化泡的微射流作用还是冲击波的作用效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，能够获取非常清晰的空化泡对靶材影响程度的图像。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，它包括水槽，在水槽的上部设有悬臂梁，悬臂梁与空化泡发生装置连接，在水槽内还设有升降支架，升降支架用于托住靶材；
空化泡发生装置位于靶材上方；
在水槽的一侧还固设有高速摄像机，高速摄像机用于拍摄空化泡发生装置产生的空化泡对靶材的影响。
优选的方案中，在水槽的侧壁设有孔，用于放入高速摄像机的镜头，在水槽内侧固设有透光片，透光片用于将孔封堵。
优选的方案中，所述的透光片为Al2O3片。
优选的方案中，升降支架的底部设有套接并可固定的支腿，以用于使靶材升降。
优选的方案中，在悬臂梁的端头还固设有刻度尺，刻度尺的端头与靶材接触，并可被高速摄像机拍摄到刻度。
优选的方案中，所述的空化泡发生装置与升降螺杆的底端固定连接，升降螺杆的顶端通过调节螺母与悬臂梁固定连接，以使空化泡发生装置能够调节与靶材之间的距离。
优选的方案中，所述的空化泡发生装置与升降螺杆的底端固定连接，齿轮螺母的外壁设有齿，内壁设有螺纹，升降螺杆的顶端穿过悬臂梁与齿轮螺母螺纹连接，齿轮螺母与驱动装置连接，以驱动齿轮螺母旋转；
在悬臂梁上还固设有限位块，限位块的内壁设有滑块凸起，在升降螺杆的外壁设有沿轴向的滑槽，限位块在滑槽内滑动；
在限位块的顶部设有凸圈，凸圈与轴承的内圈固定连接，轴承的外圈与齿轮螺母的内壁固定连接。
优选的方案中，驱动装置的结构为：齿轮螺母与传动齿轮啮合连接，传动齿轮与输出齿轮啮合连接，输出齿轮与升降电机的输出轴固定连接。
优选的方案中，所述的与空化泡发生装置为超声发生装置或电火花发生装置，
在超声发生装置或电火花发生装置的一侧还设有照明头。
优选的方案中，所述的与空化泡发生装置为激光发射装置，激光发射装置位于水槽之外，激光发射装置通过激光传导装置与光学头连接，光学头位于靠近靶材的位置；
所述的激光传导装置为空心管或光纤束。
本发明提供了一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，通过采用上述的方案，明确了空蚀机理的基本原理，即空蚀损害由微射流造成，从图6的14~20帧中，可以清楚的观察到，微射流侵入到靶材表层的过程。从而终止了现有关于空蚀机理的争论。本发明基于对靶材形变过程的实时追踪，可以准确获取距离靶材不同位置空化泡溃灭微射流对靶材形变量的影响程度。
附图说明
下面结合附图和实施例作进一步说明。
图1为本发明的实施例的结构示意图。
图2为本发明的另一实施例的结构示意图。
图3为本发明中自动升降装置的局部放大示意图。
图4为本发明中另一实施例的结构示意图。
图5为本发明中激光发射装置的结构示意图。
图6为采用本发明装置采集的空化泡溃灭过程图。
图中：水槽1，水2，照明头3，超声头4，超声发生装置5，悬臂梁6，立柱7，升降螺杆8，滑槽81，限位块82，轴承83，滑块凸起84，调节螺母9，透光片10，升降支架11，靶材12，高速摄像机13，固定底座14，自动升降装置15，传动齿轮151，齿轮螺母152，升降电机153，电机座154，输出齿轮155，激光发射装置16，激光控制装置161，激光发射器162，激光传导装置163，光学头17，凹透镜171，凸透镜172，刻度尺18。
具体实施方式
实施例1：
如图1中，一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，它包括水槽1，在水槽1的上部设有悬臂梁6，悬臂梁6与空化泡发生装置连接，在水槽1内还设有升降支架11，升降支架11用于托住靶材12；
空化泡发生装置位于靶材12上方；
在水槽1的一侧还固设有高速摄像机13，高速摄像机13用于拍摄空化泡发生装置产生的空化泡对靶材的影响。由此结构，通过对空化泡溃灭过程的追踪，获得靶材形变的图像，从而得到空化泡对靶材的影响机理。本发明中，采用了将高速摄像机13固定安装的方案，即高速摄像机13的位置在设置好后不再移动。在高速摄像机13的底部设置了固定底座14，确保高速摄像机13的稳固，从而获得了高清晰度的图像。
优选的方案如图2中，在水槽1的侧壁设有孔，用于放入高速摄像机13的镜头，在水槽1内侧固设有透光片10，透光片10用于将孔封堵。
优选的方案中，所述的透光片10为Al2O3片。透光片以粘接的方式与水槽的内壁固定连接，受水压的影响，粘合剂主要确保密封效果即可，水压能够将透光片10较好的固定。由上述的方案，能够最大程度减少水和水槽对视频图像采集的干扰，从而获得了高清晰度的空化泡溃灭图像。本例中高速摄像机13的视轴与空化泡产生的位置保持水平，从而大幅减少了折射光的干扰，优选的，采用Al2O3片作为透光片10，进一步提高了透光率，减少了折射和散射的干扰。
优选的方案如图1中，升降支架11的底部设有套接并可固定的支腿，以用于使靶材12升降。由此结构，便于精确调节靶材12的高度。
优选的方案如图1中，在悬臂梁6的端头还固设有刻度尺，刻度尺的端头与靶材12接触，并可被高速摄像机13拍摄到刻度。由此结构，便于辅助判断空化泡的尺寸变化。
实施例2：
在实施例1的基础上，优选的方案如图1中，所述的空化泡发生装置与升降螺杆8的底端固定连接，升降螺杆8的顶端通过调节螺母9与悬臂梁6固定连接，以使空化泡发生装置能够调节与靶材12之间的距离。通过手动调节调节螺母9，从而调节空化泡发生装置与靶材12之间的距离。
实施例3：
在实施例1的基础上，优选的方案如图2~4中，所述的空化泡发生装置与升降螺杆8的底端固定连接，齿轮螺母152的外壁设有齿，内壁设有螺纹，升降螺杆8的顶端穿过悬臂梁6与齿轮螺母152螺纹连接，齿轮螺母152与驱动装置连接，以驱动齿轮螺母152旋转；
在悬臂梁6上还固设有限位块82，限位块82的内壁设有滑块凸起84，在升降螺杆8的外壁设有沿轴向的滑槽81，限位块82在滑槽81内滑动；
在限位块82的顶部设有凸圈，凸圈与轴承83的内圈固定连接，轴承83的外圈与齿轮螺母152的内壁固定连接。由此结构，实现通过驱动装置自动调节空化泡发生装置与靶材12之间的距离。从而提高实验效率。当驱动装置驱动齿轮螺母152转动，齿轮螺母152以轴承83的转动圆心转动，由于齿轮螺母152的内壁与升降螺杆8之间为螺纹连接，因此带动升降螺杆8实现升降。而在升降过程中，限位块82的滑块凸起84位于升降螺杆8的滑槽81内，限制了升降螺杆8的转动，从而使升降螺杆8以极高的精度实现自动升降。大幅提高实验的效率。限位块82的外壁设有外螺纹，悬臂梁6的通孔内壁设有内螺纹，限位块82与悬臂梁6之间通过螺纹连接，限位块82的内壁与升降螺杆8的外壁构成导向结构，即升降螺杆8的外壁被加工了较高的表面精度，从而与限位块82的内壁之间以较高的精度滑动连接，以实现导向，由此方案，大幅降低了加工难度，简化了结构，提高了控制精度。
优选的方案如图3中，驱动装置的结构为：齿轮螺母152与传动齿轮151啮合连接，传动齿轮151与输出齿轮155啮合连接，输出齿轮155与升降电机153的输出轴固定连接。本例中的升降电机153采用伺服电机。升降电机153与主控装置，例如PLC电连接，当更换靶材12时，上次的升降高度被记忆，从而能够快速调节空化泡发生装置与靶材12之间的距离。
实施例4：
在实施例2、3的基础上，优选的方案如图1、2中，所述的与空化泡发生装置为超声发生装置5或电火花发生装置，
在超声发生装置5或电火花发生装置的一侧还设有照明头3。其中超声发生装置5尤其适合生成较多的空化泡集群，从而模拟多空化泡对靶材12的影响。照明头3被设置在超声发生装置5或电火花发生装置远离高速摄像机13的一侧的位置，且照明头3被超声发生装置5或电火花发生装置遮挡，以使高速摄像机13仅能采集到照明头3的反射光而不会被照明头3的直射光干扰。从而进一步提高了图像清晰度。
实施例5：
优选的方案如图4、5中，所述的与空化泡发生装置为激光发射装置16，激光发射装置16位于水槽1之外，激光发射装置16通过激光传导装置163与光学头17连接，光学头17位于靠近靶材12的位置；
所述的激光传导装置163为空心管或光纤束。由此结构，由于光路非常简单和高效，本例中获得了高精度的聚焦激光，从而减少了杂光的干扰，进一步提高了图像清晰度。通过激光控制装置161的精细控制，如图6中所示，本例中产生了单个空化泡，并且高速摄像机13清晰而完整的记录了空化泡溃灭过程，并且在第14~20帧，清楚的显示了空化泡溃灭过程中产生的微射流侵入到靶材12表面的过程，从而终止了现有技术中关于空化泡空蚀机理的争论。例如在2019.06.13申请的201910508756.X中，还记载着“空泡溃灭发生在固体表面或材料附近时，将产生强冲击波及微射流效应”这样的不明确表述。本发明的实验装置明确空蚀机理做出了重大贡献。
实施例6：
在实施例5的基础上，本例中采用弹性模量为1MPa的靶材进行实验。
1)用乙醇清洗靶材表面，将靶材12放置在升降支架11上，
2)用自动升降装置15设置激光发射装置16的焦点为距离靶材8mm的位置，高速摄像机13的视轴与激光发射装置16的焦点水平。
3)固定刻度尺18，调试高速相机和镜头，使之能够清晰的分辨刻度尺上刻度，拍照记录。
4)取下刻度尺18，使用脉冲激光、电火花或超声的方式，在预设焦点位置处产生空化泡，高速摄像机13捕捉记录空化泡演变的全过程，以及微射流对靶材的形变作用全过程，如图6中所示。
5)通过比较刻度尺与图片像素的比例关系，得到单位像素的真实尺寸。进一步得到空化泡的最大半径，本例中空化泡的最大半径为8mm，空化泡形心到靶材表面的距离，以及不同位置空化泡溃灭微射流作用下靶材最大形变程度，包括微射流对靶材造成的冲坑深度和宽度。
6)根据靶材应力应变关系，推导得到微射流的强度。
7)结合高速摄影图像分析微射流对靶材的的冲击作用过程，判断靶材是否发生破坏及破坏类型。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是：它包括水槽（1），在水槽（1）的上部设有悬臂梁（6），悬臂梁（6）与空化泡发生装置连接，在水槽（1）内还设有升降支架（11），升降支架（11）用于托住靶材（12）；
空化泡发生装置位于靶材（12）上方；
在水槽（1）的一侧还固设有高速摄像机（13），高速摄像机（13）用于拍摄空化泡发生装置产生的空化泡对靶材的影响。
2.根据权利要求1所述一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是：在水槽（1）的侧壁设有孔，用于放入高速摄像机（13）的镜头，在水槽（1）内侧固设有透光片（10），透光片（10）用于将孔封堵。
3.根据权利要求1所述一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是：所述的透光片（10）为Al2O3片。
4.根据权利要求1所述一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是：升降支架（11）的底部设有套接并可固定的支腿，以用于使靶材（12）升降。
5.根据权利要求1所述一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是：在悬臂梁（6）的端头还固设有刻度尺，刻度尺的端头与靶材（12）接触，并可被高速摄像机（13）拍摄到刻度。
6.根据权利要求1所述一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是：所述的空化泡发生装置与升降螺杆（8）的底端固定连接，升降螺杆（8）的顶端通过调节螺母（9）与悬臂梁（6）固定连接，以使空化泡发生装置能够调节与靶材（12）之间的距离。
7.根据权利要求1所述一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是：所述的空化泡发生装置与升降螺杆（8）的底端固定连接，齿轮螺母（152）的外壁设有齿，内壁设有螺纹，升降螺杆（8）的顶端穿过悬臂梁（6）与齿轮螺母（152）螺纹连接，齿轮螺母（152）与驱动装置连接，以驱动齿轮螺母（152）旋转；
在悬臂梁（6）上还固设有限位块（82），限位块（82）的内壁设有滑块凸起（84），在升降螺杆（8）的外壁设有沿轴向的滑槽（81），限位块（82）在滑槽（81）内滑动；
在限位块（82）的顶部设有凸圈，凸圈与轴承（83）的内圈固定连接，轴承（83）的外圈与齿轮螺母（152）的内壁固定连接。
8.根据权利要求7所述一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是驱动装置的结构为：齿轮螺母（152）与传动齿轮（151）啮合连接，传动齿轮（151）与输出齿轮（155）啮合连接，输出齿轮（155）与升降电机（153）的输出轴固定连接。
9.根据权利要求1所述一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是：所述的与空化泡发生装置为超声发生装置（5）或电火花发生装置，
在超声发生装置（5）或电火花发生装置的一侧还设有照明头（3）。
10.根据权利要求1所述一种基于靶材形变判断空化泡对靶材影响程度的实验装置，其特征是：所述的与空化泡发生装置为激光发射装置（16），激光发射装置（16）位于水槽（1）之外，激光发射装置（16）通过激光传导装置（163）与光学头（17）连接，光学头（17）位于靠近靶材（12）的位置；
所述的激光传导装置（163）为空心管或光纤束。
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