基于雙目高速數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）的高速電機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)變形三維實(shí)測(cè)研究

　　針對(duì)高速電機(jī)在極端轉(zhuǎn)速工況下葉片變形難以通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段準(zhǔn)確獲取的問(wèn)題，本文基于雙目高速數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation, DIC）技術(shù)，結(jié)合超高速相機(jī)，對(duì)某小型高速電機(jī)在 40 000 rpm 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的葉片動(dòng)態(tài)變形行為進(jìn)行了非接觸、三維、全場(chǎng)實(shí)測(cè)。

　　實(shí)驗(yàn)定量獲取了葉片在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的三維合位移、點(diǎn)間距變化（離心伸長(zhǎng)）、離面振動(dòng)幅值以及拉格朗日應(yīng)變時(shí)序響應(yīng)，并將實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：在目標(biāo)轉(zhuǎn)速下，葉片處于穩(wěn)定彈性工作區(qū)間，結(jié)構(gòu)完整性與動(dòng)力學(xué)響應(yīng)良好。相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可為高速電機(jī)葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、徑向間隙確定及仿真模型校核提供可靠實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：高速電機(jī)；葉片變形；雙目DIC；高速相機(jī)；非接觸測(cè)量；拉格朗日應(yīng)變

　　1 引言與研究背景

　　高速電機(jī)因其功率密度高、響應(yīng)速度快，在高效散熱模組、精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及微型動(dòng)力裝置中得到廣泛應(yīng)用。作為關(guān)鍵功能部件，電機(jī)葉片在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中同時(shí)承受強(qiáng)離心載荷與復(fù)雜氣動(dòng)載荷，易產(chǎn)生徑向拉伸、彎曲振動(dòng)及應(yīng)變集中等結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

　　在工程實(shí)踐中，高速葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依賴有限元及多體動(dòng)力學(xué)仿真。然而，在 高轉(zhuǎn)速、小尺寸、強(qiáng)剛體運(yùn)動(dòng)疊加微小彈性變形 的條件下，仿真結(jié)果若缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，難以全面反映真實(shí)工況下的動(dòng)態(tài)行為。此外，傳統(tǒng)接觸式傳感器及普通高速攝像技術(shù)在空間分辨率、測(cè)量維度和抗干擾能力方面均存在明顯局限。

　　基于上述背景，某知名電機(jī)廠商引入中科君達(dá)視界軟硬件均自研的雙目高速數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，結(jié)合千眼狼超高速相機(jī)NEO25，對(duì)高速電機(jī)葉片在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下的三維動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行直接測(cè)量，為高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的工程驗(yàn)證提供實(shí)驗(yàn)級(jí)證據(jù)。

　　2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與測(cè)試方法

　　2.1 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

　　針對(duì) 40 000 rpm 及以上工況下葉片的動(dòng)態(tài)變形與應(yīng)變測(cè)量需求，推薦采用超高速相機(jī) + 數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng) 的非接觸測(cè)試方案。其中，雙目超高速相機(jī)可在萬(wàn)幀級(jí)采樣頻率下同步捕捉葉片表面散斑圖像，通過(guò)立體視覺(jué)重建獲得葉片在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的三維位移場(chǎng)；結(jié)合 數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，可進(jìn)一步定量計(jì)算葉片的徑向離心伸長(zhǎng)、離面振動(dòng)響應(yīng)及拉格朗日應(yīng)變分布。該測(cè)試方案能夠有效抑制高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的剛體運(yùn)動(dòng)干擾，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)位移分辨率與微應(yīng)變級(jí)測(cè)量精度，為高速電機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估、徑向間隙設(shè)計(jì)及仿真模型校核提供可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

　　2.2 推薦實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量系統(tǒng)組合

　　在實(shí)際工程應(yīng)用中，可選用 千眼狼 NEO25 超高速相機(jī) 組成雙目高速成像系統(tǒng)，配合成熟的數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)使用。

　　●超高速相機(jī)：千眼狼NEO25 × 2（雙目同步）

　　●采樣頻率：41 000 fps（ROI模式）

　　●采集時(shí)長(zhǎng)：約 0.025 s

　　●鏡頭配置：100 mm 定焦工業(yè)鏡頭

　　●光源系統(tǒng)：高強(qiáng)度連續(xù)光源（千眼狼定制）

　　●光學(xué)處理：鏡頭前端加裝偏振片，有效抑制金屬葉片表面強(qiáng)反射

　　該組合在高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)測(cè)試中具備以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

　　●超高速相機(jī)支持全畫(huà)幅下數(shù)萬(wàn)幀級(jí)采樣速率，滿足高速電機(jī)葉片捕捉

　　●雙目 DIC 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn) 三維全場(chǎng)非接觸位移與應(yīng)變測(cè)量

　　●對(duì)小尺寸葉片的 20–30 μm 級(jí)離心伸長(zhǎng)與低應(yīng)變彈性響應(yīng)具備穩(wěn)定解析能力

　　●適用于高速電機(jī)、微型轉(zhuǎn)子、渦輪葉片等高速旋轉(zhuǎn)部件的研發(fā)驗(yàn)證階段

　　●核心設(shè)備千眼狼超高速相機(jī)NEO25 vs Photron Nova S20選型參數(shù)對(duì)比：

　　2.3 測(cè)量原理與數(shù)據(jù)處理方法

　　實(shí)驗(yàn)首先通過(guò)雙目立體標(biāo)定建立三維測(cè)量坐標(biāo)系。隨后，利用超高速相機(jī)同步采集葉片表面隨機(jī)散斑圖像序列，并基于數(shù)字圖像相關(guān)算法，計(jì)算：

　　●指定階段點(diǎn)的三維位移時(shí)程

　　●階段點(diǎn)對(duì)之間的相對(duì)距離變化

　　●階段區(qū)域的拉格朗日應(yīng)變演化

　　針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的大幅剛體運(yùn)動(dòng)，本次實(shí)驗(yàn)采用相對(duì)量分析策略（如點(diǎn)-點(diǎn)距離變化）以有效削弱整體旋轉(zhuǎn)對(duì)微小彈性變形測(cè)量的干擾，從而提升結(jié)果的工程可解釋性。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　3.1 葉片階段點(diǎn)三維合位移特征

　　在葉片表面選取典型階段點(diǎn)，對(duì)其旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的三維合位移進(jìn)行跟蹤。DIC 結(jié)果顯示，該階段點(diǎn)位移呈現(xiàn)明顯周期性變化，峰-峰值約為 32 mm。

　　該量級(jí)主要來(lái)源于葉片繞電機(jī)轉(zhuǎn)軸的剛體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其結(jié)果驗(yàn)證了雙目高速 DIC 系統(tǒng)在 高轉(zhuǎn)速、大位移場(chǎng)景下的軌跡追蹤穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)連續(xù)性。

　　3.2葉片徑向離心伸長(zhǎng)量分析

　　在同一葉片上選取兩階段點(diǎn)，計(jì)算其點(diǎn)間距離隨時(shí)間的變化，以表征葉片在離心載荷作用下的徑向拉伸變形。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在 40 000 rpm 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行階段，兩點(diǎn)間距離變化幅度穩(wěn)定分布在 20–30 μm 區(qū)間，與仿真預(yù)測(cè)結(jié)果高度一致。這表明葉片離心伸長(zhǎng)處于線性彈性區(qū)間，未發(fā)生塑性或失穩(wěn)行為。

　　從工程角度看，該實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)量為葉片—外殼徑向安全間隙設(shè)計(jì)提供了直接依據(jù)，可有效降低高速運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生剮蹭與結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)。

　　3.3 葉片離面振動(dòng)響應(yīng)

　　對(duì)葉片階段點(diǎn)在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向的離面位移進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，其振動(dòng)幅值整體控制在 2 mm 以內(nèi)，未觀察到顯著的離面共振或不穩(wěn)定振型。

　　該結(jié)果表明，在當(dāng)前轉(zhuǎn)速與工況條件下，電機(jī)葉片的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)平穩(wěn)，系統(tǒng)未進(jìn)入危險(xiǎn)振動(dòng)區(qū)間。

　　3.4 拉格朗日應(yīng)變分布特征

　　在葉片表面選取階段區(qū)域，計(jì)算其拉格朗日應(yīng)變隨時(shí)間的演化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)變平均水平維持在 10 με 量級(jí)以內(nèi)，波動(dòng)平緩。

　　該應(yīng)變水平表明葉片材料在測(cè)試工況下處于低應(yīng)變彈性狀態(tài)，從應(yīng)變角度進(jìn)一步驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全裕度以及仿真模型中材料參數(shù)與載荷設(shè)定的合理性。

　　4 結(jié)論與工程意義

　　4.1 本研究在 40 000 rpm 高速旋轉(zhuǎn)工況下，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)小尺寸電機(jī)葉片的三維、全場(chǎng)、非接觸動(dòng)態(tài)位移與應(yīng)變測(cè)量，驗(yàn)證了雙目高速數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)在極端旋轉(zhuǎn)條件下的工程適用性。

　　4.2 實(shí)測(cè)結(jié)果表明，葉片在穩(wěn)態(tài)高速運(yùn)行階段的徑向離心伸長(zhǎng)量約為 20–30 μm，離面振動(dòng)與拉格朗日應(yīng)變均未表現(xiàn)出失穩(wěn)特征，說(shuō)明當(dāng)前設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)安全性與動(dòng)力學(xué)響應(yīng)方面具有較高可靠性。

　　4.3 從工程應(yīng)用角度看，千眼狼 NEO25 超高速相機(jī)結(jié)合 DIC 測(cè)量方案，可在微米級(jí)精度下完成高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形測(cè)試，適用于小型高速電機(jī)、微型轉(zhuǎn)子及類似高速旋轉(zhuǎn)部件的研發(fā)驗(yàn)證與仿真校核。

　　轉(zhuǎn)自：界面新聞

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