方案背景

在航空航天、汽車制造、能源裝備等領(lǐng)域，金屬材料需要在高溫和復(fù)雜應(yīng)力條件下工作，熱變形分析是確保材料可靠性和安全性的重要手段。

金屬材料塑性變形階段，大部分塑性功轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致變形過程中溫升，如果在動態(tài)加載過程中變形速度快，變形速度遠(yuǎn)超熱擴(kuò)散速度，會產(chǎn)生絕熱溫升，產(chǎn)生熱軟化現(xiàn)象而導(dǎo)致材料發(fā)生失效。因此，同時(shí)監(jiān)測其溫度變化和變形，非常具有意義。

溫度場與DIC耦合技術(shù)原理

新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，可將熱成像（溫度場測量）與光學(xué)變形測量（DIC技術(shù)）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)IR紅外相機(jī)的圖像與DIC系統(tǒng)的圖像采集同步，然后標(biāo)定所有三個(gè)相機(jī)以使得溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)處于同一坐標(biāo)系中進(jìn)行分析，用于研究材料在熱變形過程中的熱力學(xué)和力學(xué)行為。

溫度場與DIC技術(shù)應(yīng)用的重要性：

無論是使用金屬，復(fù)合材料，陶瓷還是生物標(biāo)本，熱載荷測試需求對于學(xué)術(shù)界和商業(yè)領(lǐng)域的科研人員和工程師來說都是一個(gè)不斷增長的領(lǐng)域。

通過IR紅外相機(jī)可監(jiān)測試樣加熱升溫過程的加載試驗(yàn)效果，從而精確捕捉金屬表面的溫度分布。結(jié)合DIC數(shù)據(jù)與紅外溫度場耦合，可分析高溫變化及加載過程試樣的熱機(jī)械行為特征，這是傳統(tǒng)點(diǎn)測量（即應(yīng)變計(jì)、偏轉(zhuǎn)儀或熱電偶）無法實(shí)現(xiàn)的。

方案組成、解決的問題和關(guān)鍵指標(biāo)

本方案采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)。該產(chǎn)品基于數(shù)字圖像相關(guān)DIC技術(shù)，結(jié)合IR紅外相機(jī)和溫度加載系統(tǒng)，用于熱機(jī)械科學(xué)研究和數(shù)據(jù)分析。

一個(gè)典型的溫度/應(yīng)變耦合測量方案由以下單元組成：

• DIC測量系統(tǒng)：包含相機(jī)、光源、標(biāo)定板和標(biāo)定裝置、制斑套裝以及軟件；

• IR紅外相機(jī)：高分辨率紅外相機(jī)（測溫范圍-20℃~1500℃）：捕捉試樣表面溫度場分布，精度±1℃； 

• 溫度加載系統(tǒng)：支持加熱和制冷的可編程溫度控制；

• 同步觸發(fā)裝置：確保溫度與應(yīng)變數(shù)據(jù)的時(shí)序一致性。

通過本系統(tǒng)可同步分析溫度場/應(yīng)變場耦合數(shù)據(jù)：溫度/應(yīng)變耦合、溫度場、三維位移和變形、三維應(yīng)變分布

它利用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)來同時(shí)準(zhǔn)確測量溫度和應(yīng)變，而無需與試件接觸。溫度和應(yīng)變數(shù)據(jù)可以在整個(gè)區(qū)域或指定位置進(jìn)行查看、分析和提取。

關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

? 測溫范圍高至2000°C

? 同步的紅外溫度和DIC圖像

? 易用的立體標(biāo)定、建立參數(shù)關(guān)系

? 精確自動耦合，曲面耦合

?模擬數(shù)據(jù)同步

? 可提取FEA驗(yàn)證需要的點(diǎn)、區(qū)域或節(jié)點(diǎn)位置

? 準(zhǔn)確測量變形和溫度數(shù)據(jù)

? 測量3D全場位移和應(yīng)變

方案關(guān)鍵技術(shù)和成效

XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)與IR紅外相機(jī)通過空間坐標(biāo)系精確匹配，并在高溫環(huán)境下，溫度場與應(yīng)變場的動態(tài)變化同步采集，實(shí)現(xiàn)溫度、位移、應(yīng)變?nèi)龍鰯?shù)據(jù)的耦合分析。

關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

1、溫度場耦合：采用立體標(biāo)定方法，實(shí)現(xiàn)DIC相機(jī)與紅外相機(jī)自動精確耦合。

2、多傳感器同步觸發(fā)：通過硬件觸發(fā)信號，實(shí)現(xiàn)DIC與紅外相機(jī)毫秒級同步采集。

3、高溫散斑制備：采用耐高溫噴涂散斑，確保高溫環(huán)境下圖案不脫落。

4、耦合分析算法：基于溫度補(bǔ)償模型，將熱膨脹效應(yīng)從機(jī)械應(yīng)變中分離，輸出真實(shí)應(yīng)變場數(shù)據(jù)。

實(shí)際案例：金屬樣品、硬件系統(tǒng)和試驗(yàn)過程

耦合測量方案：本案例展示了金屬材料升溫過程中的熱變形測量。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：應(yīng)變場和位移場數(shù)據(jù)的耦合分析

實(shí)驗(yàn)流程：實(shí)驗(yàn)過程分為升溫過程和降溫過程，升溫過程中用IR紅外相機(jī)對被測物整體進(jìn)行溫度圖像采集。

降溫過程采用DIC和紅外相機(jī)配合使用，對被測物上的200mm*150mm區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和計(jì)算，獲取溫度場位移場和應(yīng)變場的耦合數(shù)據(jù)。

紅外相機(jī)采集圖像

實(shí)際案例：數(shù)據(jù)和分析

云圖的場數(shù)據(jù)

從場數(shù)據(jù)到點(diǎn)數(shù)據(jù)，對降溫過程中被測物產(chǎn)生的變化進(jìn)行分析，如下是溫度變化過程中，云圖整體的變化。

不同時(shí)間的位移云圖

不同時(shí)間應(yīng)變變化云圖

不同時(shí)間段溫度云圖

云圖中點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

為了讓數(shù)據(jù)更直觀，對云圖和被測物上不同位置取點(diǎn)進(jìn)行分析。以下是取點(diǎn)圖，點(diǎn)數(shù)據(jù)為0-1-2-3四個(gè)點(diǎn)，點(diǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)為0-1-2-3四條線段數(shù)據(jù)。

云圖取點(diǎn)位置圖

點(diǎn)位移-時(shí)間變化曲線

點(diǎn)溫度-時(shí)間變化曲線

點(diǎn)應(yīng)變-時(shí)間變化曲線

接下來分析點(diǎn)點(diǎn)距離變化的數(shù)據(jù)，首先0線段實(shí)際長度L0為118.3039mm，1號線段為74.4191mm，2號線段為76.4543mm，3號線段為119.9360mm。首先分析每個(gè)線段的實(shí)際變化量（mm），再分析實(shí)際變化量/原長度（線應(yīng)變）。

點(diǎn)點(diǎn)距離變化量隨時(shí)間變化曲線

點(diǎn)點(diǎn)距離變化率隨時(shí)間變化曲線

熱載荷特性是力學(xué)測試的重要部分，紅外相機(jī)與數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)相結(jié)合，通過解決圖像配準(zhǔn)、分辨率、溫度影響、數(shù)據(jù)同步等多方面的技術(shù)難點(diǎn)，成功解決了金屬在高溫環(huán)境下溫度與應(yīng)變耦合測量的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更精確的熱-力耦合測量，為機(jī)械熱力學(xué)的精確分析提供了一種高效、可靠的解決方案。