一种航空发动机叶片全场动应力测量系统及方法

本发明涉及数字光弹测量领域，特别涉及一种航空发动机叶片全场动应力测量系统及方法。

背景技术：

1、航空发动机是飞机的心脏，亦是飞机上关键的动力部件，其性能的优劣、安全性能的高低，与飞机的性能和安全息息相关。发动机运行工况十分恶劣，工作时叶片高速旋转，又承受着复杂的气动激振力、离心力、温度应力、机械弯矩等载荷的复合作用，特别是涡轮叶片承受的载荷更大。叶片在研制、生产和使用中，断裂故障时有发生，叶片断裂故障很可能给发动机和飞机造成严重损伤。据不完全统计，发动机故障中有70％-80％是由叶片造成的，并曾多次造成飞机事故，情况十分突出。

2、研究叶片断裂机理，排除叶片断裂故障，从而完善叶片设计，是发动机研制的重要工作之一。在对航空发动机叶片的应力进行测量时，应变电测法基于电阻应变片的电阻效应来测量应变，具有灵敏度高、误差小等优点，但不能反映构件表面应力场的连续分布情况，无法发现应力集中等缺陷。光弹性贴片法利用光弹性材料的光学效应测量材料表面应变，可以连续显示构件表面的应力分布情况，但贴片过程复杂。光弹性涂层克服了这些缺点，可以实现构件表面全场应力场测量，具有直观形象、信息量大等特点，并可以直接观测到应力集中的区域。光弹性涂层法不像电阻应变片测量那样有零点飘移问题，且光弹材料的老化非常缓慢，适合长期监测。但是，目前已有的光弹材料都是有机材料，只适用于低温环境测量，无法完成对高温工况下航空发动机叶片的应力测量。同时，由于目前的光弹涂层法不能同时获取计算全场应力的多张相移图，因此不能对转动或者高频振动的叶片实现瞬态测量。这些是造成光弹应力测量法目前无法适用于叶片高温高速疲劳特性研究的主要原因。

技术实现思路

1、本发明提供了一种航空发动机叶片全场动应力测量系统及方法，以解决在高温高速工作条件下，准确测量叶片的全场动应力、应力集中区域以及分析发生疲劳失效部位的技术问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种航空发动机叶片全场动应力测量系统，包括：耐高温光弹透明涂层、光弹图像获取装置、可视化装置；

4、所述耐高温光弹透明涂层设置在航空发动机叶片上；

5、所述光弹图像获取装置包括：激光光源；所述激光光源的光线上依次设置有凸透镜、偏振片、第一1/4波片、消偏振分光棱镜；所述消偏振分光棱镜一侧设置所述航空发动机叶片，另一侧依次设置有第二1/4波片、窄带滤波片、成像镜头和偏振相机；

6、所述可视化装置中嵌有应力计算程序，所述可视化装置与偏振相机连接。

7、作为本发明的进一步改进，所述耐高温光弹透明涂层烧结在航空发动机叶片上。

8、作为本发明的进一步改进，面向激光光源的方向，偏振片偏振轴位于竖直方向，第一1/4波片的快轴和水平方向成45°，第二1/4波片的快轴和水平方向成135°，偏振相机的第一偏振方向和偏振片的偏振轴平行。

9、作为本发明的进一步改进，所述可视化装置包括一台计算机主机和显示器、图像传输数据线、图像处理和应力计算程序和软件；

10、所述计算机主机和显示器电连接，计算机主机通过图像传输数据线与所述偏振相机电连接，应力计算程序和软件嵌入所述计算机主机内。

11、作为本发明的进一步改进，所述应力计算程序和软件包括：等倾角计算程序、相位差计算程序、等倾角解包裹程序、相位差解包裹程序、剪应力计算程序和主应力计算程序。

12、一种航空发动机叶片全场动应力测量系统的测量方法，包括：

13、将耐高温光弹透明涂层烧结在航空发动机叶片上；

14、所述光弹图像获取装置使用偏振光照射叶片上的耐高温光弹透明涂层，并用偏振相机一次曝光获得多张相移图，再通过程序处理即可获得叶片的全场动应力-应变分布。

15、作为本发明的进一步改进，所述光弹图像获取装置使用步骤包括：

16、打开光源，使光场完全覆盖叶片涂层需要测量的区域；

17、使烧结涂层的叶片进行转动或者振动；

18、控制偏振相机进行一次曝光，采集四张相移图。

19、作为本发明的进一步改进，所述偏振相机一次曝光获得四张相移图，这四张相移图分别对应0°、45°、90°和135°的偏振方向，通过这四张相移图计算出相位差、等倾角，进而算出全场应力大小及方向。

20、作为本发明的进一步改进，包括：

21、所述将耐高温光弹透明涂层烧结在航空发动机叶片上，包括：

22、1)将叶片表面打磨光滑作为基体，制备磷酸盐玻璃粉体与去离子水浆料；

23、2)将浆料均匀涂刷在叶片表面，并烘干；

24、3)将烘干后的叶片及其涂层依次进行：保温、空淬和冷却，使其冷却至玻璃转变温度以下，最后进行去应力退火。

25、本发明具有以下有益效果：

26、本发明将耐高温光弹透明涂层设置在叶片表面，并且本发明的系统的偏振相机可以瞬时获得四张能够计算出全场应力-应变分布的相移图；故本发明可以针对高温条件下、高速旋转或振动的叶片进行全场动应力测量，得到的测量结果完全来自实验真实环境和工况，真实可靠的反映叶片在工作情况下的应力分布情况；由于是非接触测量，无论叶片受到哪种载荷，都能进行快速有效的全场应力测量；进一步的，还可以识别和测量零件卸载后的屈服区域。通过计算机辅助技术可以准确测量叶片的全场动应力、应力集中区域以及分析发生疲劳失效部位的技术问题。

27、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其他的目的、特征和优点。下面参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

技术特征：

1.一种航空发动机叶片全场动应力测量系统，其特征在于，包括：耐高温光弹透明涂层(6)、光弹图像获取装置、可视化装置；

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机叶片全场动应力测量系统，其特征在于，所述耐高温光弹透明涂层(6)烧结在航空发动机叶片(5)上。

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机叶片全场动应力测量系统，其特征在于，在面向激光光源(1)的方向，偏振片(3)偏振轴位于竖直方向，第一1/4波片(4)的快轴和水平方向成45°，第二1/4波片(8)的快轴和水平方向成135°，偏振相机(11)的第一偏振方向和偏振片(3)的偏振轴平行。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机叶片全场动应力测量系统，其特征在于，所述可视化装置包括一台计算机主机(13)和显示器(14)、图像传输数据线(12)、图像处理和应力计算程序和软件；

5.根据权利要求1所述的一种航空发动机叶片全场动应力测量系统，其特征在于，所述应力计算程序和软件包括：等倾角计算程序、相位差计算程序、等倾角解包裹程序、相位差解包裹程序、剪应力计算程序和主应力计算程序。

6.一种根据权利要求1至5任一项所述的航空发动机叶片全场动应力测量系统的测量方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种航空发动机叶片全场动应力测量系统及方法，属于测试技术领域，包括：耐高温光弹透明涂层、光弹图像获取装置、可视化装置。测量方法流程为：首先将耐高温光弹透明涂层烧结在航空发动机叶片上；当叶片转动或振动时，叶片表面产生应变并传递到光弹涂层上。用偏振光照射叶片上的涂层，并用偏振相机一次曝光获得四张相移图，再通过程序处理即可获得叶片的全场动应力(应变)分布。由于采用了耐高温光弹透明涂层、基于偏振相机的光弹装置，本测量系统及方法可以在高温、高速情况下对叶片全场动应力进行非接触测量。

技术研发人员：贾书海,张华建,张文东,林子涵,周星,王龙宁
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13