[发明专利]一种航空发动机叶片高温振动疲劳特性的检测装置及方法

权利要求书

1.一种航空发动机叶片高温振动疲劳特性的检测方法，其特征在于，

所用检测装置包括振动加载系统、电感应加热系统、数字图像采集系统、计算机，

振动加载系统包括电磁振动台(1-1)、隔热垫圈(1-2)、螺栓(1-3)、定位块(1-4)、高温夹具(1-5)，定位块(1-4)、高温夹具(1-5)固定在电磁振动台(1-1)上，用于固定振动试样(4)；定位块(1-4)、高温夹具(1-5)与电磁振动台(1-1)之间设置隔热垫圈(1-2)；电磁振动台(1-1)的激振装置采用变频系统；

电感应加热系统包括非接触式温度传感器(2-1)、信号调制系统(2-2)、电感应加热器(2-3)，信号调制系统(2-2)分别与非接触式温度传感器(2-1)和电感应加热器(2-3)相连接；非接触式温度传感器(2-1)设置在振动试样上方5～10cm的位置，所述电感应加热器(2-3)设置在振动试样下方5～10cm位置；

数字图像采集系统(3)包括装在三正交运动的摄像平台上的两个CCD高速相机(3-1)、图像预处理单元(3-2)、图像采集器(3-3)，

两个CCD高速相机(3-1)位于振动试样(4)表面的上方，且两个CCD高速相机(3-1)互成角度，用于拍摄待测振动试样(4)表面的图像；

图像预处理单元(3-2)与CCD高速相机(3-1)相连接，用于对CCD高速相机(3-1)采集的振动试样(4)的表面散斑图像进行降噪与平滑处理；

图像采集器(3-3)与图像预处理单元(3-2)相连接，用于采集表层涂覆有散斑涂层(5)的振动试样(4)的表面图像；

计算机(6)与图像采集器(3-3)相连接，用于存储图像采集器(3-3)采集的图像，并对图像进行分析与计算，判断振动试样(4)的振动特性；

计算机(6)还与信号调制系统(2-2)相连接，用于采集非接触式温度传感器(2-1)测得的振动试样(4)的温度，以及通过信号调制系统(2-2)将加热指令传送给电感应加热器(2-3)；

具体步骤如下：

1)将振动试样(4)表面进行打磨和抛光，在酒精中利用超声波进行清洗，干燥处理后将振动试样(4)安装在电磁振动台(1-1)上，在振动试样(4)表层均匀喷涂散斑涂层(5)；

2)基于三正交平移运动的标定方法对CCD高速相机(3-1)进行标定，首先控制CCD高速相机(3-1)做3组相互独立的三正交运动，并由CCD高速相机(3-1)采集每次运动后CCD高速相机(3-1)特征点的图像，计算CCD高速相机(3-1)作纯平移运动时图像对应点连线的交点，最后通过线性约束方程求解CCD高速相机(3-1)的内外参数，完成相机的标定；

3)利用电感应加热系统(2)对试样表面进行加热，同时非接触式温度传感器(2-1)检测振动试样(4)表面的温度信号通过A/D转化器传送到计算机(6)，计算机(6)对接收的信号进行判断，当振动试样(4)表面温度没有达到预设的温度阈值，则计算机(6)将发送电信号通过D/A转化器传送到电感应加热器(2-3)，电感应加热器(2-3)对振动试样(4)进行持续加热，直至振动试样(4)表面温度达到预设的温度阈值为止，然后保持恒定的电流，实现振动试样(4)表面温度设定过程的自动控制，确保振动试样表面温度的控制精度为±0.1℃；

4)当振动试样(4)表面温度达到预设的温度阈值时，利用CCD高速相机(3-1)采集振动试样(4)在振动测试前的原始状态图作为基准状态的“参考图像”，并通过图像预处理单元(3-2)进行滤波、平滑处理，然后传送到图像采集器(3-3)，并存储在计算机(6)；原始图像存储完毕，立即启动电磁振动台(1-1)，首先对振动试样(4)进行扫频以测定振动试样的固有频率，扫频结束后，使振动试样(4)在驻频状态在其固有频率的状态下振动；利用CCD高速相机(3-1)采集不同振动时段振动试样(4)表面的三维数字图像，同样通过图像预处理单元(3-2)进行滤波、平滑处理，然后传送到图像采集器(3-3)，并存储在计算机(6)，不同振动时段振动试样的表面变形图像作为“目标图像”；

5)电磁振动台(1-1)每振动1万次周期，振动加载系统(1)重新对振动试样进行扫频，然后在驻频情况下，以其现有的固有频率情况下振动，当振动试样的固有频率下降了5％，视为出现了裂纹，记录振动试样(4)的振动周期；当振动试样(4)断裂立即停止电磁振动台(1-1)，结束图像采集，此时计算机记录振动试样(4)的全寿命振动周期；

6)对存储在计算机中的振动试样(4)的参考图像划分计算子区，子区尺寸为(2M+1)×(2M+1)像素，并在计算子区中设置计算点，根据数字图像相关法，利用归一化最小平方距离相关函数进行计算，通过搜索相关系数极值点，确定目标图像子区在变形后图像中的位置，相关函数表达式为：

式中：f(x,y)是参考图像子区中坐标为(x,y)的像素的灰度；g(x′,y′)是目标图像子区中对应坐标为(x′,y′)的像素灰度；f_m和g_m分别是参考图像子区和目标图像子区的灰度平均值；(2M+1)为子区中像素矩阵行和列的数量；

振动试样的振幅、疲劳裂纹扩展特性分别采用以下方式检测：

(a)振幅检测：根据目标图像子区在变形后图像中的位置，计算目标图像子区中计算点空间位移-时间信息，利用Matlab软件对测量出的位移-时间数据进行最小二乘法非线性拟合，然后进行傅里叶变换，以获得振动试样的振动幅度；

(b)裂纹扩展检测：当振动加载系统检测到振动试样的固有频率下降了5％，振动试样即萌生了裂纹；采用步骤6)中所述的数字图像相关法计算所采集的目标图像裂纹区域的位移和应变场，采用最小二乘正弦拟合方法对振动裂纹区域特征点的位移和应变值进行拟合，将拟合出的位移或应变正弦曲线与所对应的系列散斑图像进行匹配，利用计算机求出高温振动疲劳裂纹扩展速率及长度。