风扇叶片动态变形测量

一、实验背景

材料在极端工况（如高速旋转、冲击、爆炸）下的形变与失效机制，是航空航天、汽车制造、基建工程等领域的关键研究课题。传统接触式测量手段（如应变片）受限于单点测量、易受干扰等缺陷，难以满足这类动态场景下全场应变测量与高时间分辨率采集的需求。

数字图像相关法（DIC）作为非接触式光学测量技术，通过追踪物体表面散斑的位移场，可精准计算全场应变分布；搭配高速摄像机，更能捕捉毫秒级甚至微秒级的动态形变过程。

本次实验聚焦风扇叶片——这类在高速转动中承受复杂离心力与气动载荷的部件，其应变分布与结构可靠性直接关联，是验证DIC技术工程实用性的典型场景。

二、实验方案

本实验采用深视智能高速摄像机与数字图像相关DIC系统，构建了从设备架设到数据采集的完整方案：

01硬件配置

• 高速摄像机：2台深视智能SH3-108高速摄像机，在1280×1024全画幅分辨率下采集帧率达8000帧/秒，可清晰捕捉风扇叶片的高速转动细节。

• 架设与同步：将两台高速摄像机按合理夹角架设于风扇前方，确保拍摄区域稳定在视野内，从而实现对风扇叶片的持续、清晰动态图像采集。

02样品与标记制备

图丨风扇叶片散斑制备

在风扇叶片表面制备随机散斑，以向DIC软件提供其分析所需的纹理特征。

测量区域选取：在不同叶片的叶根、叶中、叶尖分别设置小区域（即 “阶段矩形0-5”），覆盖从叶片根部到尖端的关键受力区域，用于分析应变梯度。

三、实验结果与分析

通过DIC技术，我们获取了风扇叶片转动过程中拉格朗日应变E1的全场分布与时间响应曲线，从 “空间分布” 与 “时间动态” 两个维度解析叶片力学行为。

01应变全场分布（空间维度）

从实验图像的应变云图可见：

颜色刻度代表微应变大小（范围：-30000~20000微应变），暖色（红、黄）对应拉应变，冷色（蓝、绿）对应压应变。

图丨风扇叶片不同阶段矩形应变观测

不同“阶段矩形”（叶根、叶中、叶尖区域）的应变存在明显梯度：叶尖区域（如阶段矩形1、5）以拉应变为主，数值相对更高；叶根区域（如阶段矩形 2、3）应变类型更复杂，存在拉压交替，反映根部受载的复杂性。

02应变时间响应（动态维度）

下方时间-应变曲线展示了各区域应变随时间（秒）的波动规律：

不同区域的应变曲线呈现周期性波动，与风扇转动的周期完全响应，验证了测量的动态一致性。

叶尖区域（如阶段矩形1、5）应变峰值更高，且以拉应变为主；叶根区域（如阶段矩形2、3）应变幅值相对较小，且存在压应变阶段，这与叶片转动时 “叶尖离心拉伸、叶根约束复杂” 的力学逻辑完全吻合。

03结构受力合理性评估

从应变分布与梯度可见：叶片从叶根到叶尖的应变呈现由复杂到集中、由低到高的规律，符合离心载荷下的力学预期。叶尖未出现过度应变集中（未达材料失效阈值），叶根的应变波动也在结构强度允许范围内，说明该风扇叶片的结构设计具有较好的受力合理性。

四、技术价值与应用展望

本实验充分展现了深视智能SH3-108高速摄像机与DIC技术在动态形变测量中的优势：

• 非接触全场测量：突破传统接触式手段的单点限制，实现叶片表面全域应变的可视化测量，为结构优化提供完整数据支撑。

• 高时空分辨率：8000帧/秒的帧率与50微应变的测量精度，精准捕捉高速转动下的瞬时形变，满足极端工况的测量需求。

深视智能高速摄像机联合DIC技术不仅可用于风扇叶片的性能验证，更可推广至航空发动机叶片、汽车涡轮部件、桥梁抗风构件等工程场景，为材料动态力学性能研究、结构可靠性设计、故障预警等提供核心技术支持，推动工程领域对极端载荷下材料行为的认知从 “经验判断” 走向 “精准量化”。

综上，深视智能高速摄像机与数字图像相关DIC技术的融合，为工程部件的动态形变测量开辟了新路径，其在复杂工况下的非接触、全场、高精度测量能力，将持续为材料科学与工程设计的创新发展赋能。

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