一种针对薄带材的高温弹性常数测量方法技术

本发明专利技术公开一种针对薄带材的高温弹性常数测量方法，包括：(1)制备平板型高温拉伸试样，在试样表面制作高温散斑；(2)分别采集平板型高温拉伸试样的参考图像和加载图像；(3)识别参考图像中的高可靠性的方形子区；(4)利用数字图像相关方法，比较参考图像和加载图像，计算高可靠性子区在加载后的横、纵位移；(5)基于计算的高可靠性子区在加载后的横、纵位移和对应的载荷，通过加权的最小二乘法拟合获得试样材料的弹性模量和泊松比。本发明专利技术的方法既能克服退相关效应导致图像部分区域相关系数下降的问题，又能有效消除高温热流扰动带来的随机性误差，可完成高温弹性常数的高效精确测量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种针对薄带材的高温弹性常数测量方法


[0001]本专利技术属于测量
，具体涉及一种针对薄带材的高温弹性常数测量方法。

技术介绍

[0002]带材、箔材是变形高温合金的冶金产品之一，具备强韧性好、使用温度高、耐腐蚀等优点。在现代航空航天工业中，由带箔材制成的航空发动机涡轮冷气导管、涡轮机匣封严片等部件在工作状态下需要承受800℃以上的高温，应用于这些结构的高温材料会受到热变形与机械变形的耦合作用，寿命严重降低，因此保证其服役可靠性非常重要。弹性模量、泊松比等弹性常数反映了材料的刚度，是非常重要的设计用性能。弹性常数的测量方法主要分为动态法和静态法。动态法利用共振、超声等方法完成材料弹性常数的测量，但该方法难以获得超薄材料的动态响应。静态法利用准静态力学试验中材料所受的横纵应变进行弹性常数的测量，其中变形测量是静态法测试中的重要环节。在1000℃以上的高温环境下，传统的接触方法的应用会受到很大的限制，具体表现如下：高温引伸计的寿命短、价格昂贵，无法测量小标距、大变形工况；高温应变片在高温环境下粘贴困难、可靠性差、价格昂贵，导致测试成本高。非接触式变形测量方法通常基于光学原理，具备全场测量、精度高、易实现自动化等优点，在高温测试中具有良好的应用前景。光学非接触方法主要分为干涉法与非干涉法。干涉法一般基于光的衍射原理，具有更高的精度，其中的云纹干涉方法已经成为高温材料弹性常数测量的标准方法，但是该方法测试过程与数据处理过程复杂，而且其光栅蚀刻无法应用于超薄材料的测量中。非干涉测量方法中的数字图像相关(digital image correlation,DIC)方法具有更广泛的应用范围，在高温下材料弹性常数测试中表现出良好的应用前景。
[0003]二维数字图像相关方法的原理为：采集物体变形前后表面的图像，通过对物体变形前后图像中的灰度特征进行相关度计算，在变形后图像上寻找与参考图像上某一样本子区具有最大相关度的目标子区，从而确定该样本子区的位移矢量。
[0004]数字图像相关方法应用于高温变形测量会发生部分区域计算相关系数下降的现象，这种现象被称为“退相关效应”。导致这一情况出现的主要原因为：(1)高温散斑在高温下发生脱落、氧化、熔化等现象造成变形前后匹配度下降；(2)试样表面热辐射导致数字图像亮度过饱和。
[0005]此外，在大气环境下利用数字图像相关方法开展高温变形测量时会受到热流扰动的影响。由于在光路上的空气热对流导致空气密度非均匀分布，以致不同光路上空气折射率不一致，进而导致采集的图像产生畸变。由于退相关效应和热流扰动的影响
[0006]为了解决退相关效应和热流扰动的影响，国内外大量学者对高温下的数字图像相关方法开展了研究。试验证明将冷色光源和窄带通滤波片引入测量光路可以有效消除热辐射的影响。国内外学者也提出了多种高温散斑的制作方法与工艺。目前最通用的散斑制作方法是利用氧化铝陶瓷粉末和有机溶剂双组份散斑材料进行混合，并通过加热固化过程利用分子间作用力粘结在试样表面。该方法具有适用性广、使用温度高、散斑层厚度小、固化
过程简单且一般不起气泡等优点，但是有一些缺点，比如氧化铝陶瓷粉末颗粒较大，一般的喷枪很难将其均匀的喷出；分子间作用力粘结力较弱，在高温试验中容易脱落。对应到数字图像上，部分区域由于散斑制作和散斑脱落等问题导致散斑质量下降，进而使得相关系数下降，影响测试精度。热空气的气流场具有空间随机性和时间随机性，空间随机性导致图像在热对流的影响下围绕某原点的位置在横纵坐标上随机波动，时间随机性表现为同一状态下的序列图像表现为随着时间的随机抖动。目前针对热流扰动的通用解决办法有灰度平均、中值滤波、均值滤波等等。

技术实现思路

[0007]鉴于现有技术的上述情况，本专利技术的目的是提供一种针对薄带材的高温弹性常数测量方法，以解决利用数字图像相关方法测量高温大气环境下变形时，退相关效应和热流扰动带来精度降低的问题，该方法可以有效提高高温环境下变形的测量精度。
[0008]本专利技术的上述目的是利用以下技术方案实现的：
[0009]一种针对薄带材的高温弹性常数测量方法，包括以下步骤：
[0010](1)制备平板型高温拉伸试样，在试样表面制作高温散斑；
[0011](2)分别采集平板型高温拉伸试样在未加载状态下的参考图像(以下简称参考图像)，和在各个加载状态下的图像(以下简称加载图像)；
[0012](3)识别参考图像中的高可靠性的方形子区；
[0013](4)利用数字图像相关方法，比较参考图像和加载图像，计算高可靠性子区在加载后的横、纵位移；
[0014](5)基于计算的高可靠性子区在加载后的横、纵位移和对应的载荷，通过加权的最小二乘法拟合获得试样材料的弹性模量E和泊松比μ。
[0015]进一步地，其中步骤(1)中，采用按照质量比3：1混合的氧化铝粉末和酒精来制作高温散斑。其中采用切铣法将材料加工成平板拉伸试样，另外，如果试样过薄，则可在夹持部分设置增强片。
[0016]进一步地，其中步骤(2)中，所述参考图像的采集包括在目标温度下，连续采集不少于20帧图像，并对采集的图像进行灰度平均，获得参考图像；所述加载图像的采集包括采用横梁位移控制方法进行加载，拉伸速度不大于0.6mm/min，连续获得相应载荷下的加载图像。
[0017]进一步地，其中步骤(4)中，所述可靠性的评价参数包括平均灰度梯度平方和、时间相关度和空间相关度。
[0018]更进一步地，其中识别参考图像中的高可靠性的方形子区包括：
[0019]将试样进行平移运动，利用神经网络算法进行训练，建立图像的可靠性参数Q，在p递增的情况下，循环计算参考图像中所有p
×
p子区的可靠性参数Q，筛选出其中可靠性极大值的子区，
[0020]判断筛选出的可靠性极大值子区是否包含之前确定的小尺寸高可靠性子区，并且判断该可靠性极大值子区的可靠性参数Q是否比所包含的小尺寸高可靠性子区大，如果不包含，则将该可靠性极大值子区作为新的高可靠性子区；如果包含，且该可靠性极大值子区的可靠性参数Q比所包含的高可靠性子区大，则用可靠性极大值子区替换所包含的高可靠
性子区，作为新的高可靠性子区；如果包含，但该可靠性极大值子区的可靠性参数Q比所包含的高可靠性子区小，则不将该可靠性极大值子区作为新的高可靠性子区。
[0021]进一步地，其中步骤(5)中，加权因子为子区的可靠性参数与子区面积之积。
[0022]本专利技术考虑到对于拉伸等均匀应变场，存在大量全场信息冗余，仅需计算散斑场可靠性最高的区域的位移，即可获得材料的弹性常数，并且利用多个高可靠性子区位移与载荷之间的拟合，消除热流扰动在时间和空间上的分散性。从而本专利技术建立了一种考虑散斑平均灰度梯度、空间相关性与时间相关性的复合散斑评价参数，在平移试验中利用神经网络算法获得。本专利技术的方法既能克服退相关效应导致图像部分区域相关系数下降的问题，又能有效消除高温热流扰动带来的随机性误差，通过非接触手段完成高温弹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对薄带材的高温弹性常数测量方法，包括以下步骤：(1)制备平板型高温拉伸试样，在试样表面制作高温散斑；(2)分别采集平板型高温拉伸试样的参考图像和加载图像；(3)识别参考图像中的高可靠性的方形子区；(4)利用数字图像相关方法，比较参考图像和加载图像，计算高可靠性子区在加载后的横、纵位移；(5)基于计算的高可靠性子区在加载后的横、纵位移和对应的载荷，通过加权的最小二乘法拟合获得试样材料的弹性模量和泊松比。2.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(1)中，采用按照质量比3：1混合的氧化铝粉末和酒精来制作高温散斑。3.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(2)中，所述参考图像的采集包括在目标温度下，连续采集不少于20帧图像，并对采集的图像进行灰度平均，获得参考图像；所述加载图像的采集包括采用横梁位移控制方法进行加载，拉伸速度不大于0.6mm/min，连续获得相应载荷下的加载图像。4.按照权利要求1所述的方法，其中步骤(4)中，所述可靠性的评价参数包括平均灰度梯度平方和、时间相关度和空间相关度。5.按照权利要求4所述的方法，其中识别参考...

【专利技术属性】
技术研发人员：张悦，郭广平，许巍，刘帅，贾崇林，于慧臣，何玉怀，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：