EikoTwin DIC在热交换器结构体上的裂纹追踪：DIC在热疲劳测试领域的实际案例@利勃海尔航空航天

在航空航天工业中，零部件的可靠性至关重要，尤其是裂纹的研究和跟踪。业内著名的热交换器制造商利勃海尔航空航天公司借助 EikoSim 的专业知识，对极端热疲劳载荷下的裂纹发展进行深入研究。本文全面概述了此次合作的方法、结果和结论。

问题：疲劳结构的裂纹检测和监测

本次研究的主要目标是跟踪现有裂纹的扩展并检测任何新出现的裂纹。此外，为了更好了解热交换器在在重复热载荷下的行为，获得每个热循环中具有足够解析的位移和应变场至关重要。

方法：数字图像相关设备方法

研究从对交换器进行热应力测试开始，温度循环范围从 20°C 到 600°C。仪器包括使用两个双摄像头系统进行数字图像立体相关 (DIC)，以瞄准交换器中可能出现裂纹的两个关键区域。

仪器的模拟准备

仪器系统的实施经过精心准备，充分考虑确认摄像机的最佳定位，以便能最优地捕捉变形。使用 EikoTwin Virtual 软件虚拟准备了摄像机布局计划，以确保该程序在测试框架的拥挤区域中可行。该过程包括检查视野、清晰度、摄像机校准质量，以及估计测量精度和相关的不确定性。为此，使用有限元网格划分和热交换器数值模拟生成虚拟图像，然后使用 EikoTwin DIC 图像相关软件进行分析。

实验装置由高分辨率相机和强大、均匀的照明组成，这些照明的位置可以避免反射。照明必须足够强大，以确保外部照明不会影响图像的亮度，因为测试将持续数百小时，在此期间环境照明可能会发生变化。

实施

此外，在零件上制作散斑涂层，以便在图像相关过程中测量变形。为了确保通过数字图像相关 (DIC) 准确测量变形，必须在零件上应用随机对比纹理（称为散斑）。使用特殊过滤器和耐高温热涂料将这种纹理应用于交换器表面。测量面积仅为 50 x 50 毫米，需要约 1 毫米的高空间分辨率，对应于有限元网格元素的大小，这意味着散斑点尺寸必须在 0.1 毫米到 0.2 毫米之间。

在测试过程中，摄像机与温控机同步，并在数千个循环中获取热循环每个阶段的图像，从而能够连续监测换热器的行为。然而，测试也面临重大挑战，尤其是高温产生的热雾，这是一种由于光束偏转而产生的光学现象，可能会导致位移测量出现偏差。为了解决这个问题，安装了气隙，将其定位在刮平换热器壁的位置，这大大减少了雾的影响。

通过图像立体相关进行测量的可靠性，取决于摄像机的精确校准。校准过程包括确定摄像机的焦距、位置和方向。具体步骤是：首先利用零件上的标记和有限元模型，然后借助散斑纹理完成计算。为了确保校准的准确性，我们在热测试开始前，就在实际测试环境下进行了这一校准操作。

EikoTwin DIC 软件用于处理捕获的图像。该数字图像相关软件用于校准摄像机，并通过分析热循环不同阶段捕获的图像之间的差异来跟踪交换器结构的位移和变形。

完成摄像机校准后，该软件使用立体视觉系统识别标称几何形状与测量区观察到的形状偏差。该测量偏差是交换器内部（焊接）结构的特征。

对破裂换热器进行的首次位移测量表明，现有裂纹在位移场上清晰可辨，其特点是从负位移到正位移的明显梯度。该监测证实了现有裂纹在热循环过程中的进展。数据分析还显示现有裂纹所在元件的应变较高，证实了变形集中在这些关键区域周围。

结果：快速定位裂纹

对于最初未出现裂纹的测量区域，虽然未检测到新裂纹，但在与裂纹容易出现的位置相似的位置测量到了弥散的变形集中。该区域可能成为新裂纹的发生点，因此应仔细监测。

尽管如此，使用图像相关残差可以实现最精细的观察，从而可以对裂纹进行像素级（20 µm）观察。通过对虚拟引伸计的分析，我们可以量化不同扩展机制下开口的演变：裂纹开口的形成、扩展和稳定。

此外，由于对裂纹沿线图像相关测量的开口进行了专门的后处理，该残留区域可用于自动跟踪裂纹。每个阶段的此类后处理都可以实现随时间推移的裂纹跟踪。

总之，这项综合研究证明了数字图像立体相关在准确跟踪热疲劳载荷期间裂纹扩展方面的有效性。准确检测和跟踪现有裂纹的能力为提高苛刻热环境中的组件可靠性提供了重要的前景。研究期间未发现新裂纹。这项工作的前景包括在更多循环中继续进行裂纹跟踪，以分析外壳在新裂纹形成时的行为。此外，检查新裂纹可能出现的变形阈值也很有趣，从而能够更好地了解重复热载荷下的失效机制。最后，这一概念验证使利勃海尔团队能够更好地了解使用图像相关系统的可能性和限制，并将自己投入到未来的自主使用中。