应用虚拟仿真技术设计热力学测试台：集成用于耦合DIC与红外成像的热环境舱

本文为EikoSim公司与法国国家航空航天研究院（ONERA）研究员Thibaut Archer合作撰写

在受控环境中建立热力学测试，对于验证结构力学中的数值模型是一项重大挑战。测试台架的优化设计对于确保位移场和温度场的精确采集至关重要，尤其是在测试部件承受极端温度的情况下。集成一个带有精心定位观察窗的热环境舱，可保证机械场和热场的最佳捕获。

本文提出了一种方法，利用 EikoTwin Virtual（一种用于预测仪器约束的仿真工具）来优化 ONERA 的 Simba 测试台。研究重点在于观察窗的方向和位置，以确保相机的最佳定位，最大化可见光与热传感器之间的共景深和共享视场。该实验在一个试样上进行，该试样首先经受超过1000°C的强激光加热，然后进行渐进式拉伸，同时采集试样多个面上的位移场和温度场。

结果表明，对测试台进行事前仿真能够显著优化实验参数，保证更高质量的测量并减少不确定性。这些测量将用于识别材料的阈值特性，并帮助工业合作伙伴进行零件设计。

引言

热力学测试对于研究材料和结构在极端条件下的响应至关重要。数字图像相关（DIC）与红外热成像技术的结合使用，可以同时获取试样表面的位移场和温度变化。然而，这些技术需要特定的观测条件，当测试在热环境舱中进行时，这些条件变得复杂。

Simba 测试台的设计必须考虑这些约束。在该测试台上进行测试的目的是在材料尺度上接近发动机环境，以表征和理解损伤机制，尤其是在存在热梯度的情况下。

热环境舱的存在对光学传感器的位置和方向施加了约束，需要集成观察窗以实现最佳的测量采集。这些观察窗的尺寸和位置必须经过设计，以最大化景深并确保测试试样感兴趣区域的完整覆盖。此外，相机的配置必须设计为能够同时捕获测试部件的不同表面，特别是在复杂热力学载荷的情况下。

使用 EikoTwin Virtual 可以对测试环境进行数字化建模，并事先优化观察窗的位置和方向。本研究的目的是证明，测试台的事前仿真能够预测并解决与测量采集相关的问题，甚至在测试物理实施之前，从而减少实验迭代次数并提高所获数据的质量。

测试台及热环境舱的设计与仿真

测试台架的优化始于热环境舱和相机定位的数值建模。实验配置包括一个能够使温度超过1000°C的激光加热系统，随后是机械拉伸应力。

主要目标是通过战略性定位传感器来确保机械场和热场的最佳捕获。系统中集成了五个相机：两个可见光相机定位用于观察试样的顶面，提供位移场的最佳覆盖；一个热像仪专用于观察顶面，确保记录加热区域的热变化；第二个热像仪位于试样下方，提供热量分布和材料热响应的补充视图；一个额外的可见光相机对准试样边缘，以捕获沿拉伸轴的位移场。

观察窗的位置和方向经过定义，以确保可见光传感器共享景深，使相机能够同时对焦于整个试样表面。通过仿真优化视场。

观察窗的布置根据每个传感器的入射角进行调整，以最小化反射并最大化采集数据的质量。正在进行一项研究，以测试多种观察窗尺寸和方向的配置，确保在保持热环境舱结构坚固的同时，能够最佳地访问感兴趣区域。

图1：测试台及仪器优化后视图

图2：相机1优化后视图

热力学测试的执行与测量采集

在测试台配置经过数值验证后，热环境舱被制造出来并集成到实验装置中。试样首先经受强激光加热，使特定区域温度超过1000°C。一旦热分布稳定，施加渐进式拉伸载荷，以观察载荷下变形场的演变。

光学传感器按照仿真验证的配置进行安装。可见光和热像仪的定位旨在同时捕获机械场和热场，并对来自不同传感器的数据进行同步监控。

DIC 图像经过处理以重建位移场并识别应力集中区域。热图像的分析突出了热量在试样内部的传播及其对材料机械响应的影响。

最重要的是，结合使用DIC和红外图像，借助为 EikoTwin DIC 开发的耦合插件，可以直接获得基于局部测量温度的变形场。这种能力是该装置的主要优势：它提供了对测试部件上空间和时间相关的机械和热数据的同步访问。这使得能够精确研究复杂热力学应力下变形的演变，并验证考虑热依赖效应的材料模型。

图3：可见光立体相机系统图像

图4：静止状态（左）和最大负载状态（右）的热像仪图像

结果讨论

通过事先优化测试台架，我们能够保证数据采集无显著干扰，并且可见光与红外相机之间具有共享景深。

这种基于测试台事前仿真的方法，减少了实验迭代次数，并优化了首次系列测试数据的利用。这种方法论确保了测试的更好可重复性以及所获测量值的更高可靠性。

结论与展望

本研究证明，使用 EikoTwin Virtual 进行热力学测试台的设计，能够有效优化实验参数，保证更高质量的测量并减少不确定性。集成优化定位的观察窗实现了对感兴趣区域的完整覆盖以及机械场和热场的同步采集。这些测量将用于识别材料的阈值特性，并帮助工业合作伙伴进行零件设计。