基于数字图像相关法的航空发动机叶片三维变形测量技术研究

作     者：余镇江 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁雪梅

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：航空发动机叶片 变形场测量 数字图像相关法 双目视觉 频闪法 

摘      要：航空发动机被誉为“工业皇冠上的明珠,更被认为是飞机的心脏。叶片则是航空发动机核心部件,各级叶片为发动机提供80%以上的推力。叶片在复杂的力学环境下工作会导致叶形发生改变,而叶片叶形的变化会使通过发动机内部的气流相对于设计工况发生改变,从而影响到发动机的稳定性、噪音水平和推力性能等。掌握叶片在工作条件下的变形规律,不管是对于现有航空发动机的安全运行还是对于新型叶片的优化设计都有很大的意义。本课题针对航空发动机工作条件下,叶片表面三维变形的测量问题,提出一种基于双目视觉和数字图像相关法的三维变形测量方法,融合基于高速频闪的旋转叶片表面图像采集方法以及刚体位移消除方法实现6000rpm（CFM56-7型发动机N1转速）条件下叶片表面位移场以及主应变场的测量。主要研究内容包括:在变形前后检测点的匹配方面,建立基于DIC的检测点匹配模型。该模型从DIC的原理切入,研究数字图像相关法的关键技术。考虑抗干扰性以及计算效率,选取相关函数与位移模式。在初值搜索算法方面,提出基于ORB特征的初值搜索算法,并从精度、速度以及旋转适应性方面与传统方法进行对比。在亚像素匹配方面,建立FA-NR与IC-GN亚像素匹配模型,并通过仿真对它们的匹配速度与精度进行对比。在变形前后检测点的定位方面,建立基于双目视觉系统的三维重建模型。该模型采用基于棋盘格的双目相机标定方法以及基于二阶形函数的立体匹配方法,对变形前后检测点的空间坐标进行计算。并针对立体匹配容易出现误匹配的问题,提出基于RMS窗口误匹配点检测方法与基于二段式亚像素迭代的误匹配点修正方法,对叶片表面三维重建过程中误匹配点进行检测与修正。在位移场的计算方面,针对特定坐标系下位移场的计算不准确的问题,提出面向特定坐标系的三维位移场计算方法,该方法基于P3P理论实现相机坐标系相对于测量坐标系的旋转矩阵的求解,并将其用于位移校正。实验结果表明,对于总位移测量,3D-DIC系统在测量距离为0.5m的条件下,位移测量误差小于2μm。对于特定方向的位移测量,校正后的结果相对于校正前,X、Y以及Z方向位移测量误差分别下降了40%、88%以及81%。在应变场的计算方面,建立基于空间非正交网格的主应变计算模型。实验结果表明,3D-DIC系统在测量距离为0.5m的条件下,主应变测量误差小于50με。最后对3D-DIC的匹配策略进行优化,在保证精度的前提下降低全流程测量耗时。最后,对高速旋转状态下的叶片表面变形场进行测量。搭建旋转叶片变形测量实验平台,采用高速频闪法对旋转叶片表面图像进行采集,并利用KBlur模糊系数对旋转状态下拍摄图像的像质进行了评价,验证方法的有效性。针对由于触发误差引入刚体位移影响测量精度的问题,提出基于双区域选择的坐标配准方法。根据3D-DIC原理编写GUI,实现6000rpm条件下叶片表面变形场的测量。