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2000度超高溫下材料三維應(yīng)變測(cè)量

http://m.007sbw.cn 2023-03-02 09:48

  在航空航天、能源和化工等工業(yè)領(lǐng)域,許多機(jī)件是在高溫下長(zhǎng)期服役的,如發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐設(shè)備等,它們對(duì)材料的高溫力學(xué)性能提出了很高的要求。高溫力學(xué)性能是指高溫下物料因抵抗外力作用而產(chǎn)生各種變形和應(yīng)力的能力。正確地評(píng)價(jià)材料、合理地使用材料、研究新的耐高溫材料,為上述工業(yè)發(fā)展和材料科學(xué)研究的主要任務(wù)之一。

  數(shù)字圖像相關(guān)法dic測(cè)量方案

  數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量方法DIC是一種非接觸式變形測(cè)量方法,它使用相機(jī)分別記錄下被測(cè)試件表面變形前后的灰度信息,然后通過軟件處理圖像信息,以得到所需的應(yīng)變場(chǎng)。

  DIC方法具有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和過程簡(jiǎn)單、能實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)測(cè)量、對(duì)測(cè)量環(huán)境和隔振要求低等優(yōu)點(diǎn),尤其適用于復(fù)雜極端環(huán)境下的力學(xué)測(cè)試。

  采用新拓三維XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng),通過對(duì)高溫環(huán)境下材料的形貌、變形、應(yīng)變的同步測(cè)量,可以獲取材料因高溫引起的表面形狀變化,揭示材料失效過程,并能定量給出失效的臨界溫度和應(yīng)變范圍。

一種典型的DIC測(cè)量系統(tǒng)示意圖

  誤差影響與改進(jìn)措施

  數(shù)字圖像相關(guān)法DIC和任何測(cè)量過程中一樣,誤差會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù),每次新的測(cè)試都需要估相對(duì)應(yīng)的不確定性,處理好與測(cè)試和后處理相關(guān)的誤差來源,并盡量減輕這些誤差,以使位移測(cè)量更加可靠。

  在高溫材料力學(xué)測(cè)試中,設(shè)備、環(huán)境和操作等因素容易引起測(cè)量誤差,其可能的影響因素為:

  1、高溫散斑的質(zhì)量,會(huì)直接影響DIC軟件的運(yùn)算結(jié)果;

  2、溫度升高導(dǎo)致試件本身的熱膨脹,引起變形測(cè)量誤差;

  3、材料試件升溫產(chǎn)生的紅光,對(duì)圖像采集有一定影響;

  4、測(cè)試艙內(nèi)空氣在高溫條件下導(dǎo)致材料表面氧化,對(duì)圖像采集造成影響。

  針對(duì)上述高溫測(cè)試影響因素,為降低測(cè)量誤差,新拓三維技術(shù)工程師通常會(huì)根據(jù)實(shí)際測(cè)試環(huán)境,對(duì)應(yīng)采用以下改進(jìn)措施:

  1、制作對(duì)比度高、分布均勻的高質(zhì)量散斑,提升辨識(shí)度;

  2、高溫階段保持一段時(shí)間,待熱膨脹變形穩(wěn)定后加載,消除熱膨脹引起的誤差;

  3、加裝窄帶濾光、干涉片,藍(lán)光LED燈補(bǔ)光,消除高溫產(chǎn)生紅外干擾,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量散斑采集;

  4、適當(dāng)抽取艙內(nèi)空氣降低壓強(qiáng),降低空氣氧化的影響;

  數(shù)字圖像相關(guān)法DIC可以應(yīng)用于高低溫實(shí)驗(yàn),但主要局限在800攝氏度以內(nèi)的測(cè)量,對(duì)于超高溫(直到3000度)的測(cè)量基本上還面臨困難。

  新拓三維XTDIC非接觸式三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng),采用自主研制的特殊技術(shù)散斑制備方法,結(jié)合多種窄帶濾光、干涉片,清晰采集高溫散斑圖案,可實(shí)現(xiàn)3000攝氏度的高溫全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量。

  復(fù)合材料高溫拉伸

  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1500~3500℃,甚至更高。

  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,采用非接觸式DIC測(cè)量技術(shù),可解決隔熱、絕緣問題,可全面準(zhǔn)確地了解復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能。

圖:碳碳復(fù)合材料600度拉伸

  薄板高溫焊接

  高強(qiáng)度薄壁件在船舶、汽車、飛機(jī)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,薄壁件剛度比較低,焊接易引起彎曲變形、角變形、失穩(wěn)變形等。傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法多是單點(diǎn)單方向的測(cè)量,無法直觀分析整體變形趨勢(shì)。

  由于變形的復(fù)雜性,理論數(shù)值模擬技術(shù)難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際變形情況。基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù),獲取薄板焊接過程中全場(chǎng)變形數(shù)據(jù),分析變形規(guī)律、優(yōu)化焊接工藝,為數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支撐。

  圓筒高溫焊接

  高強(qiáng)度管線鋼廣泛應(yīng)用于油氣管道(特別是天然氣)的運(yùn)輸,由于管道是一種典型的焊接結(jié)構(gòu),焊縫及靠近焊縫的母材及熱影響區(qū)不可避免地存在各種形式的焊接缺陷,如裂紋、氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等。

  采用基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的非接觸測(cè)量手段,獲取管道焊縫位置全場(chǎng)變形分布,研究管道在焊接過程中的變形機(jī)制及力學(xué)行為,最大限度地利用管道的變形能力,確保管道在地震帶、斷層橫移、滑坡和永凍帶等復(fù)雜服役環(huán)境下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

  激光加熱變形

  激光作為能量載體,作用在靶材上后會(huì)產(chǎn)生一系列變形,通過非接觸測(cè)量手段獲取全場(chǎng)變形數(shù)據(jù),能夠直觀顯示變形分布規(guī)律,為理論研究提供大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),揭示激光與靶材相互作用過程中的規(guī)律,推動(dòng)變形機(jī)理的深入研究,擴(kuò)大激光的應(yīng)用范圍。

  采用激光加熱鋁合金、鈦合金等板材實(shí)驗(yàn),獲取加熱至熔穿整個(gè)過程的變形數(shù)據(jù),為理論研究、數(shù)值模擬提供數(shù)據(jù)支撐,進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)性科學(xué)研究,推動(dòng)激光在國(guó)防軍事、工業(yè)加工等重點(diǎn)領(lǐng)域的發(fā)展。

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