高温合金蜂窝板结构由较薄的高强度合金蒙皮和较厚的低强度蜂窝芯层焊接或黏接组成三明治结构,因其具有重量轻、强度高、高温环境下抗变形能力强、导热系数小等优点使之成为高速飞行器理想的隔热结构,已广泛应用于火箭、导弹、飞机等高速飞行器的热防护结构材料[1, 2].20世纪40年代德国最早将蜂窝板结构应用于四引擎Hacilland Albotross飞机[3],中国从20世纪60年代开始研制玻璃钢蜂窝板,随后又研制了Nomex蜂窝板、铝合金蜂窝板等[4].近几年来,不断发展的航空航天技术和越发苛刻的服役环境对蜂窝板结构件提出了更高的要求.作为表征其性能的重要参数,高温合金蜂窝板结构在模拟气动高温热环境下的隔热性能和全场变形成为相关设计人员关注的焦点.
为了研究高温合金蜂窝板结构在高温环境下的热变形与隔热性能,国内外许多科研人员通过数值计算与实验测量两种手段进行了大量的研究.例如,Ko[5]、Shiau[6]、Fatemi[7]、Chamis[8]等结合热力学理论和有限元数值方法分析了蜂窝板结构在热载荷条件下的变形,其结论是蜂窝板结构的面内变形为均匀膨胀,离面变形为四周翘曲.吴大方等[9]通过实际的气动热环境模拟实验定性对比高温合金薄板试件与高温合金蜂窝板试件在经过950℃高温后的残余翘曲变形,发现高温合金蜂窝板结构可恢复到原始几何尺寸,残余变形很小几乎可以忽略不计.
尽管相比于实验测量,数值模拟计算具有低成本、周期短、可快速模拟各种实验条件等优点,但因基于理想的物理模型和经验公式,数值模拟计算往往与实际的实验结果有一定的偏差.因此高温合金蜂窝板热变形与隔热性能的实验测量能获得可信度更高的真实变形,在热防护结构的设计阶段是不可替代的重要步骤.迄今为止,许多研究者通过实验仅得到蜂窝板结构面内高温热变形,由于高温变形实验的难度,直接测量蜂窝板结构在时变辐射加热条件下的三维热变形还未见有报道.本文研究了高温合金蜂窝板在快速辐射加热下的变形测量,实验采用自行设计的红外辐射瞬态气动热环境模拟系统复现高速飞行器的时变热环境,并采用文献[10]提出的基于高亮度单色光源照明和窄带通滤波成像相结合的“主动成像”3D-DIC系统对时变热辐射环境下高温合金蜂窝板面内和离面3个高温热变形分量进行了测量.实验结果为工程设计提供了有价值的参考.
1 实验方案 1.1 高温合金蜂窝板实验件和高温散斑制作实验采用的高温合金蜂窝板是由两块面板和蜂窝芯层结构焊接而成的(见图 1).前后面板材料为镍基合金GH3039,蜂窝芯层材料为镍基合金GH536.高温合金蜂窝板结构的平面尺寸为210 mm×210 mm,蜂窝单元外接圆直径为12 mm,单元高度为10 mm,壁厚为0.1 mm,前后面板的厚度均为1 mm,蜂窝板总厚度为12 mm.
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| 图 1 高温合金蜂窝板实物图与高温合金蜂窝板夹心示意图Fig. 1 Photo of superalloy honeycomb panel and schematic diagram of its sandwich |
三维数字图像相关(3D-DIC)方法需利用实验件被测表面的随机灰度变化作为变形信息载体并为该方法匹配提供信息.文献[9, 11]中提出用氧化锆、碳粉与高温无机胶按合适比例搅拌混合制作成黑色液状物,用该黑色液状物可在被测试样上通过溅撒或点涂的方法制作可耐受高温的人工散斑.然而实验中发现,该方法难以在较大试样上制作大面积的高温散斑.为解决大面积散斑制作问题,本文以可耐受1 700℃的无机高温喷漆作为变形信息载体,提出一种新型高温散斑制作方法,步骤如下:①用MATLAB软件生成一幅黑白二值随机图像;②打印图像并粘贴在250 mm×250 mm×5 mm硬铝板表面;③在铝板上按照图像黑白像素点分布打出大小、位置随机的通孔;④将打完孔的铝板覆盖在被测试件表面,喷涂无机高温喷漆,即完成高温散斑制作,如图 2所示.
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| 图 2 表面制备有高温散斑的高温合金蜂窝板试件<Fig. 2 Superalloy honeycomb panel sample with high-temperature speckle pattern fabricated on its surface |
本文所采用的石英灯辐射加热系统如图 3左侧所示,该系统由石英灯阵列、温度传感器、信号放大器、模拟/数字转换器、数字/模拟转换器、电功率调节装置和控制用计算机组成,系统对实验件可按设定温度曲线快速、准确加热.针对实验条件要求的时变模拟环境特点,采用具有鲁棒性好、对参数变化适应性强、过渡过程时间短等优点的模糊控制方式进行时变热环境模拟实验[12].系统工作时,由焊接在被测试样表面和背面的热电偶(K型,工作范围为-200～1 200℃)实时采集连续变化的模拟温度信号,信号经过放大后送入模/数转换器(A/D)进行模/数转换.将测量到的温度值与设定温度值进行比较后将偏差送入控制程序,通过控制算法对采样数据进行计算得到控制量,并经过数/模转换器(D/A)转换成模拟信号后驱动电功率调节装置,调节红外辐射加热装置上的电功率,从而实现被测试样表面温度设定过程的自动控制.该系统采用闭环控制,被测试样表面的温度控制读数判别精度可达0.1℃.若对石英灯管采用水冷装置,该系统最高瞬时温度可达1 550℃,温升速率最高可达200℃/s.
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| 图 3 高温合金蜂窝板的非接触高温三维变形测量系统的示意图<Fig. 3 Schematic diagram for non-contact high-temperature 3D deformation measurement of superalloy honeycomb panel |
为获得快速辐射加热下高温合金蜂窝板在不同时刻表面的三维变形,本文采用基于双目立体视觉原理3D-DIC方法,其测量系统如图 3右侧所示[13, 14].该测量系统由左右两个配置了焦距为25 mm定焦镜头的数字CCD相机(陕西维视数字图像技术有限公司,型号MV-VS141FM)组成,该相机采集的图像为分辨率1 392像素×1 040像素的8 bit灰度图像.
在对实验件加热过程中,加热石英灯阵列的辐射光与受热实验件自身的热辐射会使进入相机靶面的光强显著增加,导致采集到的图像亮度增强、对比度降低,即“图像退相关现象”,从而使数字图像相关方法的图像匹配算法失效.为获得高温物体表面亮度和对比度稳定的数字图像,与普通3D-DIC系统不同,笔者在3D-DIC测量系统的镜头前安装了光学带通滤波片(中心波长为450 nm,带宽为32 nm),并采用波长为(450±3)nm的高亮度单色光源照明被测试件,该单色光源由大功率LED阵列组成,可长时间保证照明光强均匀稳定.由于采用特定波长的高亮度单色光源照明被测实验件,并在成像系统前配置窄带通滤波片已阻隔非主动照明的其他干扰光[10],这种“主动成像”3D-DIC测量系统(图 3右侧)可有效地避免受热实验件热辐射所造成的散斑图像“退相关现象”.已有的实验结果显示所建立的光学测量系统可获得1 200℃镍基高温合金试样和1 550℃碳基复合材料表面高质量、无退化的数字图像,并能准确提取其均匀三维高温热变形[9, 11].
基于双目立体视觉原理的3D-DIC测量系统使用两个相机从不同方位同时记录同一被测对象表面的一组数字图像,通常将变形前记录的数字图像称为“参考图像”,将变形后记录的数字图像称为“变形后图像”.一般在测量之前对双目立体视觉模型进行标定[15, 16],获得相机的内外参数和两个相机之间相对姿态关系,建立一个固定的世界坐标系.在测量过程中,3D-DIC方法利用两个姿态和相对位置固定的数字相机组成的测量系统从不同角度对被测物体表面同一区域成像,记录不同状态下被测区域的一对数字图像.在图像分析时利用基于图像子区的灰度匹配算法[17, 18]得到左右两幅视图中选择计算区域内各对应点的视差,由已获得的标定参数和视差信息即可根据双目立体视觉成像原理重构物体表面的三维形貌(即相对于世界坐标系的三维坐标),而不同状态下物体表面三维坐标之差即为三维位移场,对位移场进行差分可获得应变场[19].
1.4 实验步骤本文结合石英灯红外辐射加热系统和基于主动成像的三维数字图像相关测量系统搭建非接触高温变形测量系统,如图 4所示,加热系统置于蜂窝板实验件前方对其前表面进行加热,为精确控制加热温度,在实验件前、后表面各粘贴一热电偶(K型,工作范围为-200～1 200℃)采集表面温度数据.3D-DIC测量系统置于蜂窝板后方采集后表面散斑图像.实验初始温度为30℃,调整左右相机使成像清晰后,用15 mm圆点标定板采集60组标定图像,用以标定相机内外参数,之后采集一组该温度下的实验件表面散斑图像对作为初始图像.实验件按照设定温度曲线(见图 5)加热,每隔100 s采集一幅后表面散斑图像,同时记录前、后表面温度数据.实验过程持续1 000 s,共10组数据.
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| 图 4 高温合金蜂窝板高温三维变形测量系统现场照片Fig. 4 A picture of high-temperature 3D deformation measurement system |
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| 图 5 实验件表面预定加热温度曲线Fig. 5 Preset surface heating temperature curve of experimental samples |
图 6是高温合金蜂窝板实验件实验过程中前、后表面温度变化曲线,可以看出,前表面(直接加热面)温度曲线与设定温度曲线十分吻合,验证了石英灯红外辐射加热系统的可靠性与精确性.后表面温度低于前表面,且较晚达到稳态,当温度稳定时,实验件后表面温度约为640℃,说明高温合金蜂窝板结构具有良好的隔热性能.
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| 图 6 高温合金蜂窝板实验件表面预定加热温度以及前、后表面温度测量曲线Fig. 6 Curves of preset surface heating temperature and measured temperatures on front and back surfaces of superalloy honeycomb panel sample |
首先标定两相机的内外参数,并分析图像序列以计算三维位移场.计算位移时,以初始时刻采集的一组图像作为参考图像,在其中的左相机图像中选择大小为971像素×921像素(91×86=7 826个计算点)的矩形区域作为计算区域,位移计算时所用图像子区大小为71像素×71像素,步长为10像素.对所获得的位移场可用逐点最小二乘法计算应变场,应变计算窗口为15点×15点.
用3D-DIC方法得出的三维位移场,如图 7(a)、图 7(b)所示,面内u位移场与v位移场等值线基本与坐标轴平行且变形量相当,因此可知高温合金蜂窝板面内变形为均匀膨胀.实验测得稳态时x与y方向热应变分别为8.900 ×10-6ε和9.000×10-6ε.通过查阅手册[20]可知,蜂窝板热膨胀系数为1.49×10-7ε/℃,实验测得试件表面温升为610℃,由此可计算出热应变为9.089×10-6ε,这与实验结果相符.图 7(c)为离面位移(w位移)场,其等值线呈同心圆分布,为四周翘曲变形,这是因为蜂窝板沿厚度方向有温度梯度,从而导致上下表面热变形大小不同.由w位移场也可看出蜂窝板翘曲变形相对其尺寸很小,四边中点处翘曲变形最大为1.62 mm,说明其具有较好的抵抗高温变形能力.图 8为100、200和1 000 s 3个不同时刻下中央横截面(见图 7(c)中黑色直线对应位置)w位移沿x坐标分布规律,其呈轴对称分布.
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| 图 7 1000s时三维位移场Fig. 7 3D deformation field at 1000s |
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| 图 8 中央横截面分别在100s,200s和1000s时沿x轴的w位移分布曲线Fig. 8 w displacement distribution along x axis of central cross section at 100s, 200s and 1 000 s, respectively |
表 1为每个时刻三维位移最大值,可以清晰看出在200 s时受热冲击影响翘曲变形达到整个实验过程最大值,之后略有减小并趋于稳定.这是因为200 s时前、后表面温差最大(见图 6),当前表面达到900℃时后表面还未达到最大变形.通过Hoff等效刚度理论[21]与薄板弯曲的热弹性力学理论[22],可推导出高温合金蜂窝板的翘曲变形函数为
| 时间/s | u/mm | v/mm | w/mm |
| 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 | 0.20 0.67 0.80 0.83 0.84 0.84 0.84 0.84 0.84 0.84 | 0.20 0.72 0.86 0.88 0.88 0.90 0.89 0.89 0.89 0.89 | 1.45 2.08 1.69 1.68 1.64 1.64 1.70 1.65 1.66 1.62 |
式中:
其中:wmn为傅里叶系数;M为弯矩;MT为温度引起的弯矩;a为高温合金蜂窝板边长;D为等效弯曲刚度;ν为等效泊松比;MT计算公式为
式中:α为热膨胀系数;E为等效弹性模量;H为高温合金蜂窝板厚度;ΔT为温度沿厚度z方向的变化.通过查阅手册得到蜂窝板材料参数并代入实验件边界中点坐标即可求出最大翘曲变形为1.84 mm,与实验结果相近.此外,从式(3)中也可以看出,当前、后表面温差较大时,翘曲变形也较大,这也和实验结果相符.
3 结 论本文将自行研制的石英灯辐射加热系统与基于双目立体视觉的主动成像的三维数字图像相关测量系统相结合,通过实验测量高温合金蜂窝板结构在时变热辐射环境下三维高温热变形,得出以下结论:
1) 蜂窝板实验件面内变形为均匀膨胀,离面位移为等值线呈同心圆分布的翘曲变形,在900℃稳态时面内位移与翘曲变形分别为0.84,0.89,1.62 mm,与蜂窝板尺寸大小相比,变形量很小,实验结果显示蜂窝板结构具有良好的抵抗高温热变形能力.用Hoff等效理论计算所得结果与实验值吻合良好.
2) 当高温合金蜂窝板实验件在200 s初次达到900℃时受到热冲击影响,热变形比稳态时大.
3) 对比蜂窝板在加热过程中前、后表面温度随时间变化曲线,验证了实验所采用的石英灯辐射加热系统的可靠性与精确性,也体现了高温合金蜂窝板结构优良的隔热性能.
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