Page 43 - 理化检验-物理分册2025年第二期
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吴 琼，等：基于数字图像相关技术的大尺寸叶片动态全场应变测量
力状态复杂，传统测量方法难以保证测量方向与最 验装夹辅助工装刚性安装在电动振动台水平滑台
大主应力方向一致，从而影响了叶片疲劳性能的测 上，试验方向为水平方向。利用激光位移传感器对
试精度 。而有限元的计算模拟并不能完全反映样 叶片进行振幅测量，结合振动控制仪实现振动疲劳
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本的形貌和装夹差异，两者相结合时会不可避免地 试验的闭环控制，测试面为叶背。
引入系统性误差。综上所述，传统有限元计算和电 在振动疲劳试验过程中，通过DIC动态全场三
阻应变计实测相结合的方法存在一定的局限性，会 维应变测试仪测量叶背表面的动态全场应变，使用
影响振动疲劳试验数据的准确性和可靠性。 高速相机和定焦镜头，使用VIC-Snap软件采集标定
数字图像相关（DIC）技术是一种三维（3D）， 图片和振动试验下的散斑图片，使用VIC-3D软件进
全场，无接触测量任何材料物体轮廓、位移、振动 行标定和分析。笔者以叶背理论最大应力点为中心，
和应变的光学测量系统。该测量方法的原理是利 在距离为30 mm处安装9枚电阻应变片，连接桥盒，
用数码相机或是光电摄像机采集被测物体表面变 通过Coda应变测试分析系统测量叶背处的应变。
形前后的图像，并将图像输入计算机并转换为数字 1.1 非接触式测量
图像，然后对于选定的图像区域进行相关匹配的计 选用试样为大尺寸叶片，使用自喷漆罐为叶片
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算，再根据计算结果得出图像上像素点的位移 ， 的叶背喷涂白色哑光底漆，使用滚筒和与散斑相同
最后依照标定像素当量的结果得到被测物体的实 大小的记号笔在底漆上制作散斑。在试样表面制作
际变形量。DIC可用于测量物体的表面变形，其具 散斑的步骤尤其重要，此步骤可以为分析区域提供
有无须与材料接触、适用于任何刚度材料的变形测 良好的特征，保证正确的散斑位移追踪直接关系到
试、全程跟踪试样变形、量程大、测试适应性小、有 标定时的不确定度，以及散斑照片的质量。为了避
利于验证理论对变形场分析有效性等优点 [5-6] 。陈 免形成反光并且有较好的对比度，使用的白色底漆
亚军等 介绍了3D-DIC在常规力学测试中的应用， 与黑色散斑漆同为哑光漆，白色底漆覆盖均匀，黑色
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对比分析了 3D-DIC、传统引伸计测试结果和有限 散斑清楚无涂抹。同时，拍摄一组静止照片进行观
元模拟的结果，验证了3D-DIC技术的可行性， 并介 察，散斑点的大小需有较好的一致性，放大观察后散
绍了高温散斑的制作以及该技术的最新进展和难 斑点的大小应占5~10个像素点，否则容易造成分
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点。荆甫雷等 设计了针对涡轮叶片专用的试验装 析时的混淆。照片视野中，散斑在白色底漆上应有
置，并进行高温振动试验，对比分析了接触式和非 50%的覆盖率，因此需要两散斑的点间距与散斑点
接触式以及有限元仿真技术在大梯度应力、温度场 的大小一致。为了避免错误匹配，试样表面制作的
下的测试精度，验证了非接触式测试技术的适应性 散斑应具有随机性，因此不要制作大面积复制的散
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和有效性。褚玉龙等 利用疲劳试验和 DIC 非接 斑图案。叶片散斑制作结果如图1所示。
触全场应变测量的方法，探究了GH2036 铁基高温
合金y方向应变-疲劳寿命比的云图，直观地分析了
合金的疲劳失效过程。陈新等 [10] 应用3D-DIC方法
对发动机用TC17 超高频试样进行了应力标定，获
得了不同振幅条件下的应变 - 时间曲线，再与电阻
应变计法的测量结果进行对比，获得了良好的结果
一致性。到目前为止，DIC法己基本形成了一套较
为系统的理论，并广泛应用于机械工程、水利工程、
航天工程以及生物工程等领域 [11] 。
笔者以某型大尺寸叶片为研究对象，在叶片振
动条件下，采用DIC系统实现动态全场应变的非接
图 1 叶背散斑制作结果
触测量，同时利用电阻应变计进行测量，对结果进行
正式试验开始前，对DIC系统进行校准，对大
对比，为叶片振动疲劳应变测试提供了数据支撑。
尺寸叶片进行标定。选择具有可识别既定尺寸点功
1 大尺寸叶片动态全场应变测量 能的标定板，建立坐标系并识别空间尺寸，修正镜
将某型大尺寸叶片用专用夹具通过振动疲劳试 头引起的光学畸变。标定结果用于确定相机距离、
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