基于红外热像技术的应力分析关键技术研究

论文摘要

随着航天航空、汽车工业、电子工业、核能应用及火箭技术等领域的快速发展,出现了许多迫切需要解决的复杂构件应力分布的测量问题。本文对以红外锁相热像技术为基础的应力测试方法进行了较系统的理论分析和实验研究。首先运用弹性力学、传热学理论,深入分析了构件在周期性交变载荷作用下的热弹性作用,研究了材料的温度变化与应力变化之间的关系,并采用有限元方法建立了仿真模型,编制了有限元程序,完成了绝热条件下材料的热弹性特征的模拟计算分析,得到了仿真结果。采用电阻应变法对构件进行应力标定比对,评定了红外锁相热像技术测量构件应力的准确性,确认在绝热条件下红外应力测试的结果是可信的。为了探讨在非绝热条件下应力测试结果偏差的实际技术问题,本文确定了运用实验手段进行数据分析处理,实际观察绝热和非绝热条件下试件温度与应力的关系,从而找出误差的根源与规律。对有中间圆孔的平板试样进行了不同频率加载的正弦疲劳试验,利用Cedip红外热像系统实际测量,通过分析红外温度图像文件,将特征点的温度值提取出来,得到了确定部位的温度值及不同部位的纬度变化数据,用matlab软件编制了应用程序,拟合出了与加载频率和应力水平相关的温度衰减曲线,找出衰减规律,对绝热条件下的线性热弹性的温度—应力耦合模型进行修正。结果表明绝热状态与非绝热状态之间的过渡存在着一个临界频率,并且临界频率与构件的应力水平有关,应力水平越高,生热越多,构件与环境之间的热交换越大,即耗散部分就越多,临界频率就越大。温度的衰减量也与构件的应力水平有关,随着应力水平逐渐的降低,构件与环境之间的热交换越来越少,最后趋于一个平衡过程,几乎接进绝热状态。随着应力水平的增高,衰减量则逐渐增大。通过对温度衰减规律的测试与分析,得到了材料在非绝热状态下热量损失的规律,进而建立了补偿方程,用本论文提出的补偿修正量计算程序对非绝热状态下红外测试的结果进行补偿修正后,可使测量误差在5%内。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 红外热像技术的应力分析研究现状
• 1.2.1 红外热像技术的发展
• 1.2.2 红外热像技术的应力分析研究与应用
• 1.3 应力分析检测方法
• 1.3.1 有损应力检测法
• 1.3.2 常规无损应力检测法
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 红外热像系统的介绍
• 2.1 红外热像仪的原理
• 2.2 热像仪组成部分的功能
• 2.2.1 热成像光学系统
• 2.2.2 热像仪用红外探测器
• 2.2.3 信号的处理
• 2.2.4 显示方法
• 2.3 红外热像仪的特点
• 2.4 红外热像仪的发展
• 第3章 动态热弹性理论研究与模型建立
• 3.1 动态热弹性理论
• 3.1.1 应力变化与温度变化之间的关系
• 3.1.2 基于红外热像技术测量构件应力的条件
• 3.2 线性热弹性应力与温度耦合模型求解
• 3.2.1 应力状态有限元分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 试验研究与误差补偿关系的建立
• 4.1 试验材料与组成
• 4.1.1 试验试件
• 4.1.2 试验设备
• 4.1.3 试验方法
• 4.2 温度图像与应力图像转化
• 4.2.1 温度图像的读取
• 4.2.2 应力图像转化
• 4.3 试验结果与分析
• 4.3.1 温度分布图的结果与分析
• 4.3.2 红外锁相方法准确性的标定
• 4.3.3 相同频率下不同点的温度分布
• 4.3.4 不同频率下不同点的温度衰减曲线
• 4.3.5 温度衰减曲线的拟合
• 4.3.6 非绝热问题的测量偏差与修正
• 4.3.7 测试应力与应力水平和频率的关系
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢