高速旋转结构件变形及应变的光学测量方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于旋转机械实验力学领域，特别涉及一种高速旋转结构件变形及应变的光学测量方法与装置。
【背景技术】
[0002]旋转结构件的变形和应变测量一直是旋转机械实验力学领域值得关注的问题。有学者提出用“全景莫尔轮廓法”和“狭缝式高速相机”进行旋转物体的变形测量。非接触的红外遥测和超声遥测在高速旋转构件应力应变测量中也有尝试。国外学者在旋转盘表面绘制图案，形成特殊的“光电传感器”反射层，高速旋转下不同径向位置占空比的变化反映了变形特征。基于光纤光栅(FBG)测量旋转叶片应力应变，转速达到4000rpm。光纤传感器用于旋转叶片应力应变测量和状态监测已经有多项专利，典型的如CN1844872-A、DE10159990-AUW02009095025-A1 和 US2009324409-A1 等等。
[0003]1980s以来，以数字图像相关方法(Digital Image Correlat1n，简称DIC)为代表的光测力学方法逐渐完善，特别是2007年以来，国内外成熟的DIC设备逐步投入市场，基于DIC方法测量全场应变技术得到了快速发展和应用。但是，传统DIC算法难以应对大角度转动和大变形情况，转动角大于7°时，引发“退相关”。商用DIC设备方面，美国CSI公司的Vic-3D非接触应变测量系统采用优化的3D-DIC算法，能够测量螺旋桨叶转动变形及应变。
[0004]目前实现的旋转结构件变形/应变光学测量方法及装置适用的旋转速度普遍较低，不能满足lOOOOrpm以上的高速和30000rpm以上的超高速旋转的储能飞轮、动力涡轮和电主轴的测量要求。在实验设备上，往往采用短时快门和高帧频工业相机抓取转动工件图像，设备要求高，成本高。因此为了满足lOOOOrpm以上的高速和30000rpm以上的超高速旋转的储能飞轮、动力涡轮和电主轴的测量要求，需要一种采用盘式变频电机驱动单点立式支撑的薄盘试验件轴系，利用普通数字相机获取频闪光源照射下的高速旋转试验件表面图案，采用图像处理技术获取图案变化信息并计算得到旋转试验件的变形和应变的光学测量方法和装置。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于解决【背景技术】所述的高速旋转结构件动态变形和应变测量，特别针对转速lOOOOrpm以上的高速和超高速旋转的轴对称结构件端面变形和应变测量。
[0006]高速旋转结构件变形及应变的光学测量方法的技术方案如下:试验件表面涂覆同心圆图案并组成立式超高速旋转轴系，采用盘式变频电机在真空室中驱动单点支撑的立式超高速旋转轴系，用普通的低速数字相机获取频闪光源照射下的高速旋转薄盘形轴对称结构试验件表面同心圆图案，采用图像处理技术获取图案变化信息并计算得到高速旋转试验件的变形和应变；所述试验件为薄盘形轴对称结构件；
[0007]薄盘形轴对称结构件的材料弹性参数、几何结构参数和旋转角速度给定后，面内应力、应变和位移分布仅是薄盘形轴对称结构件上同心圆半径位置的函数，同心圆图案中各个标记同心圆的半径依次为1^，r2, r3,...!■?，用图像识别和处理程序获得从lOOOOrpm到60000rpm不同测试转速下各标记圆随试验件变形后的半径rl’, r2’, r3’, ???rn'；
[0008]同心圆处的径向位移，即高速旋转薄盘形轴对称结构件的变形:uj = rj’ -rj ；
[0009]高速旋转薄盘形轴对称结构件的环向应变:ε e = U ,/τ,；
[0010]高速旋转薄盘形轴对称结构件的径向应变:ε (u j+1-uj)/(rj+1-rj)；
[0011]其中j = l，2，…，n;
[0012]测试步骤:
[0013]步骤一、试验件表面进行同心圆图案设计，喷涂黑白同心圆图案，同心圆图案各个标记同心圆的半径依次为...!■?，η为1?50的整数；封闭的同心圆图案降低图像获取难度，缓解了光源同频精度和相机帧频率的要求，避免了径向纹理的图像畸变；所述试验件为薄盘形轴对称结构试验件；
[0014]步骤二、组装单点支撑的立式超高速旋转轴系，转子连接轴为阶梯轴，试验件轴向固定在转子连接轴的上部，喷涂同心圆图案的试验件表面为上表面，盘式电机转盘轴向固定在转子连接轴的中部，弹性小轴的上端插装在转子连接轴的轴中心通孔中，下端焊接微型螺旋槽球轴承，弹性小轴上部的轴肩使弹性小轴在转子连接轴上轴向定位；
[0015]步骤三、将立式超高速旋转轴系放置在真空室内，真空室由真空室腔体、具有观察窗的真空室端盖、电机冷却水套、弹性阻尼器组成，在真空室内，盘式电机定子绕组置于电机冷却水套的上凹槽内，立式超高速旋转轴系支承在弹性阻尼器中的螺旋槽球轴承球窝上，螺旋槽球轴承球窝、微型螺旋槽球轴承与弹性小轴组成枢轴承；微型螺旋槽球轴承与螺旋槽球轴承球窝的接触部分浸没在阻尼润滑油中，高速旋转中螺旋槽搅动球窝内润滑油，在流体动压润滑作用下使整个轴系悬浮；
[0016]步骤四、移动数字相机，对镜头平面与试验件平面进行平行校准，即要求镜头光路轴线垂直于试验件平面，拍摄静态图像和图像处理，识别出没有变形的各个标记同心圆原始半径n，r2, r3,…rn;
[0017]步骤五、盘式电机转速设置为低速50?lOOrps，启动盘式电机，手持锥头细杆插入转子连接轴的上端小孔内，扶持立式超高速旋转轴系逐步加速，直到立式超高速旋转轴系脱离锥头细杆而稳定旋转；
[0018]步骤六、立式超高速旋转轴系低速稳定旋转后，盖上真空室端盖，开启电机冷却循环水系统和真空系统，真空室内的压强逐渐降到IPa以下，立式超高速旋转轴系缓慢升速至与盘式电机电源驱动频率同频；
[0019]步骤七、逐步缓慢提高盘式电机电源驱动频率设定值，将立式超高速旋转轴系的试验件转速提高到第一个测量设定值；
[0020]步骤八、由接触式振动传感器获取立式超高速旋转轴系振动信号，经多功能数据采集卡调理进入计算机LabVIEW程序，用FFT分析得到转动频率；依据转动频率生成LED驱动信号，调节照明试验件图案面的频闪光源发光频率和占空比，同时触发数字相机工作；所述接触式振动传感器吸附在真空室外壁；
[0021]步骤九、频闪光源使高速旋转的试验件实现图像相对静止，数字相机在较长曝光时间拍摄到符合后续处理条件的灰度图像；
[0022]步骤十、图像信号经图像信号采集卡调理并接入计算机LabVIEW程序，进行分割剪裁和保存；
[0023]步骤十一、将立式超高速旋转轴系的试验件转速提高到第二个测量设定值，重复步骤八至步骤十，完成试验件转速第二个测量设定值，直至试验件转速达到额定转速或者在强度实验中达到破坏转速；
[0024]步骤十二、进行数字图像处理，计算试验件的各转速测量设定值下的变形及应变数据:
[0025]标记圆随试验件变形后的半径r j ’
[0026]高速旋转结构件的变形:Uj= r / -r j；
[0027]高速旋转结构件的环向应变:ε e = U ,/τ,；
[0028]高速旋转结构件的径向应变:ε r= (u j+1-Uj) / (r j+1-r j)，其中j = 1，2，…，n ;
[0029]完成用光学测量的方法测量试验件高速旋转的变形及应变。
[0030]高速旋转结构件变形及应变的光学测量装置由薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A、图像获取与信号处理系统B和测试辅助系统C组成，薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A使薄盘形轴对称结构试验件高速旋转，图像获取与信号处理系统B获取薄盘形轴对称结构试验件的图像信号和照明光源的触发信号，测试辅助系统C为薄盘形轴对称结构件高速旋转系统A提供真空电源、盘式电机电源和冷却水，以及为图像获取与信号处理系统B提供相机调节平台控制电源；
[0031]所述结构件高速旋转系统A由真空室、立式超高速旋转轴系、电机冷却水套12和弹性阻尼器13组成；所述真空室的真空室腔体11为圆形槽，真空室腔体11壁的下部有2个对称设置的过孔，分别为真空室抽气口 117和真空室放气口 118，真空室腔体11的底板上有一个中心圆孔，真空室腔体11底板中心圆孔的壁上有一个向下的台阶，圆环形的真空室端盖111用螺栓固接在真空室腔体11的壁上，橡胶密封圈II 116垫在真空室端盖111和真空室腔体11之间起密封作用，2个提拉把手115对称固接在真空室端盖111上表面的同一条直径上，真空室端盖111内壁上有一个向上的台阶，圆形的观察窗113置于真空室端盖111内壁的台阶上，压环112通过螺栓固接在真空室端盖111上并且把观察窗113压紧在真空室端盖111上，橡胶密封圈I 114垫在观察窗113和真空室端盖111的内壁台阶之间起密封作用；
[0032]所述电机冷却水套12为一种空心旋转体，外围为封闭的空腔体，法兰盘I 124固接在腔体外壁的中部，法兰盘I 124以上的腔体外壁有一个向上的