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高速高温数字图像相关方法及热冲击实验研究

作　者: 王翔
导　师: 冯雪
学　校: 清华大学
专　业: 力学
关键词: 数字图像相关高温实验力学热震高速摄影
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

飞行器的表层和发动机在工作过程中会受到剧烈的热震,容易导致材料的破坏和实效。热震过程迅速,温度变化剧烈,当前的研究仅限于热震前后对比的定性分析上,没有对热震过程进行定量的研究。本文将数字图像相关方法进行改进,建立了高速高温数字图像相关方法并在此基础上对材料展开了热震实验研究和定量计算,可以尝试为材料抗热震性能提供评价指标和参考。在不同频率下空拍对高速摄影系统的误差进行了表征和修正,结果显示高速摄像机的噪声误差随时间和频率保持稳定,完全在允许的误差范围内;采用刚体位移的方法研究了高速摄影系统的畸变对测量结果的影响,发现高速摄影系统在低于频率1040fps以下全场采集时,必须进行畸变校正,在超过2000fps时畸变完全可以忽略不计。在材料上制作出耐高温的散斑是数字图像相关方法测量高温力学性能时必须解决的问题。本文通过在材料表面镀银,发明了一种高温散斑制作方法,效果明显,可以耐950℃的高温;使用砂纸、磨刀石、锉刀等工具摸索出了一道打磨工序,在硼化锆等材料表面制作出了由材料本身提供的耐高温散斑;材料温度较高时辐射很大,会发出较强的光淹没整个散斑场,本文设计采用了一个具有一定物理参数的滤光片,同时采用特殊照明光源,解决了材料高温时所发出的长波段光对散斑场的淹没。自主搭建了水滴急冷热震实验平台。经一种新的手段和通过控制温度得到了玻璃直线型、半圆型、波浪型、混合型四种不同的裂纹失稳扩展模式;应用高速高温数字图像相关方法,清晰地观察到玻璃热震过程中的裂纹扩展,并突破传统上对热震的定性研究引入定量分析,结果表明:玻璃受热冲击过程中应力演化相当快,且非常复杂,应力集中表现明显。运用有限元模拟对应力分布进行了模拟,与实验结果非常吻合。自主搭建了氧乙炔急热热震实验平台,做到了在ΔT=2000℃左右的热冲击条件下基底和涂层结构表面、侧面的应变演化定量计算,结果显示在如此高温的条件下,应变分布和演化呈现一定的规律性,应变非常高,少数地方达10^-2的量级。在搭建的急热热震实验平台上对耐高温材料硼化锆进行了测试,得到了硼化锆在受ΔT=1600℃的热冲击时的应变演化过程。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章引言  8-14
  1.1 课题背景及研究意义  8-10
  1.2 高温实验力学  10-12
  1.3 本文的研究内容  12-14
第2章热震理论介绍  14-20
  2.1 热震的工程背景  14-15
  2.2 热震的研究现状  15-18
    2.2.1 热弹性理论  15-16
    2.2.2 损伤理论  16-18
  2.3 本章小结  18-20
第3章高温高速数字图像相关方法  20-48
  3.1 数字图像相关方法  20-25
    3.1.1 数字图像相关方法概述  20-21
    3.1.2 数字图像相关方法测量系统  21-22
    3.1.3 数字图像相关方法的基本原理  22-24
    3.1.4 数字图像相关方法的关键问题  24-25
  3.2 高速数字图像相关方法  25-38
    3.2.1 高速摄影  25-28
    3.2.2 高速摄像机噪声分析  28-35
    3.2.3 高速摄像机畸变研究  35-38
  3.3 高温数字图像相关方法  38-47
    3.3.1 黑体辐射理论  38-39
    3.3.2 高温滤光方法  39-43
    3.3.3 高温散斑的制作  43-47
  3.4 本章小结  47-48
第4章高速数字图像相关方法在热震实验中的应用  48-68
  4.1 玻璃的热震实验研究  48-53
    4.1.1 裂纹失稳扩展的研究意义  48
    4.1.2 热震情况下的裂纹失稳扩展研究  48-50
    4.1.3 玻璃的热震破坏实验  50-53
  4.2 涂层-基底结构的热冲击实验  53-63
    4.2.1 涂层-基底结构热冲击的表面实验研究  54-59
    4.2.2 涂层-基底结构热冲击的侧面实验研究  59-63
  4.3 硼化锆热震实验  63-66
  4.4 本章小结  66-68
第5章全文总结与展望  68-70
  5.1 研究总结  68-69
  5.2 需要进一步研究的工作  69-70
参考文献  70-75
致谢  75-76
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  76

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