【摘 要】
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诸如航空发动机、火箭飞行器等大型特种设备在国防尖端领域应用十分广泛,在科技高速发展的今天一度成为衡量国家军事实力的重要标准。但大型特种设备长期工作在极端复杂的工况下,高温高压产生的应变载荷导致其核心部件极易发生裂纹、热蚀和疲劳的状况,这对部件的寿命和稳定性造成了极其不利的影响,如何对核心部件进行力学参数监测和应变场还原成为了一个亟待解决的问题。本文基于数字图像相关法的基本原理,搭建了一套高温应变测
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诸如航空发动机、火箭飞行器等大型特种设备在国防尖端领域应用十分广泛,在科技高速发展的今天一度成为衡量国家军事实力的重要标准。但大型特种设备长期工作在极端复杂的工况下,高温高压产生的应变载荷导致其核心部件极易发生裂纹、热蚀和疲劳的状况,这对部件的寿命和稳定性造成了极其不利的影响,如何对核心部件进行力学参数监测和应变场还原成为了一个亟待解决的问题。本文基于数字图像相关法的基本原理,搭建了一套高温应变测量实验平台,设计了带有独立光学系统、可步进伸缩的成像探针装置,对探针实物进行了成像评估与测试,在800℃下还原了TC4（Ti-6Al-4V）模拟样件的高温应变场,计算了不同温度下的热膨胀系数,具体研究内容如下:（1）为了适应大型设备小孔径应变测量要求,本文设计了一套基于数字图像相关法的成像探针。对成像光路系统进行建立、仿真和优化,基于光路系统对探针机械结构进行独立建模和集成化处理。最终光学系统的光斑半径全视场范围小于32μm,在空间频率为50 lp/mm的MTF值均大于0.2,畸变百分比约为0.49%,光学仿真效果良好。（2）对加工的探针实物进行了分辨率与畸变的测试与评估。对比了测试结果与指标参数要求的差异,测得了探针的分辨率为40 lp/mm,畸变系数为k1=-0.574,k2=0.871,畸变百分比为7%。为了验证成像探针的DIC测量能力,进行了不同方向的刚体位移实验,并从散斑质量、曝光时间和成像畸变三个方面对位移结果进行误差分析与校正。误差分析显示成像畸变对于位移测量精度影响最大,绝对误差为0.2 mm,相对误差为2.7%,校正后绝对误差降低为0.1 mm,相对误差降低到1%以内。（3）使用大电流加热装置、成像探针、相机、热电偶、TC4样件等搭建了高温DIC实验平台,对800℃的高温位移应变场进行了实验还原。基于还原的应变结果计算出了不同温度下样件材料的热膨胀系数（CTE,Coefficient of Thermal Expansion）并与参考结果进行对比,对比显示最大绝对误差为0.34 ppm/℃,最大相对误差为3.7%,验证了本实验系统在高温环境下应变测量的精确性。最后对燕尾型样件和锯齿型样件非均匀温度分布下的位移应变场进行了还原,两种样件在温度峰值场区域均产生了应力集中现象。
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