DIC实验——高温条件下测量陶瓷基复合材料力学性能-与赛峰陶瓷合作

关键字：数字图像相关，高温应变测量，非接触应变测量，材料性能分析

作为EikoSim团队的一名新成员，我非常高兴有机会和大家概述一下我的论文新作：主要是完成SiC/SiC复合材料的高温实验，此实验在F. Hild监督下，在LMT实验室进行的，同时实验的校准工作是在赛峰航空陶瓷技术公司的V. Herb 和 B. Lacombe的监督下完成的。

责任人：Myriam Berny，研发工程师，博士生。

赛峰陶瓷正在努力提高其技术技能，以分析和了解燃气轮机发动机应用的涂层和未涂层陶瓷基复合材料（CMC）的热机械性能。为了达到这一目的，需要在更具代表性的发动机工作条件下进行试验。因此，它要求在高强度三维热载荷下对试样进行高温试验（即大于1300℃），该试验由红外和可见光摄像机（图1）进行多仪器检测，以控制热边界条件和运动边界条件，并了解材料行为。因此，本论文的目的是开发不同的程序来评估CMC材料在高温下的热机械行为，使用热和运动全场测量以及实验和有限元（FE）计算之间的相关性。

Fig.1 – Multi-instrumented experiment of a SiC/SiC composite under thermal gradients obtained with a CO₂laser beam (collaboration with T. Archer, P. Beauchêne and A. Mavel (ONERA)).

BNMI-SiC/SiC复合材料的高温实验具有相当多的挑战。首先，材料表现出较小的应变水平（即可逆域小于0.1%）和不均匀行为，这意味着必须使用能够监测热机械响应和测量小幅度位移的全场技术。这些要求导致了基于红外和可见光摄像机的红外热成像和DIC/立体DIC方法的使用。然而，温度升高引起了一些额外的挑战，如黑体辐射和对流，这对DIC测量尤其不利。因此，高温DIC分析需要专门的策略来解释灰度变化，并减轻热雾效应，该效应会扭曲图像并损害位移测量。

基于在这种具有挑战性的环境中获取的图像来识别CMC属性，要求我们必须遵循以下几个步骤。首先，建立了二维图像测量值与三维有限元模拟热机械计算场之间的关系。提出了两种标定不同摄像机的方法（即投影矩阵法）。一方面，基于自标定方法实现了单台红外相机的标定。另一方面，由于现场斑点标定目标（为实验装置量身定做），其表面有限元模型是众所周知的，并且是一对图像，因此要在全局立体视觉框架中对立体钻机进行标定。EikoSim在EikoTwin DIC中针对可见光相机和红外相机的热附加组件中提出的不同校准程序允许热机械场的拉格朗日测量。此外，它还能够在室温下对小振幅位移（例如，纵向分量为2µm）进行潜在评估，这是分析复合材料力学性能的主要要求。

在校准摄像机后，讨论了高温下的热机械场，以评估测量可靠温度和位移的能力，尽管存在对流效应。由热霾引起的时空波动被证明破坏了所寻求的测量。对温度场进行模态分析，以评估不同现象（即加热过程、对流效应和采集噪声）的贡献，并建立本研究所用红外相机的热不确定度水平和协方差矩阵。此外，还进行了定量分析，以表征热雾效应及其对位移测量质量波动（即显著增加）的影响。

基于这些观察结果，我们得出结论，专用的时空正则化策略是必要的，分别用二维-DIC和有限元为基础的立体（FE-stereoDIC）以处理高水平的波动的二维和三维表面位移。在CMC试样上进行了若干高温实验。已发展的全局时空和立体算法的共同特点是用分离的时空变量（即时间和空间形状函数）参数化运动场的模态分解。对于时空二维DIC，根据所选择的时间参数化，研究了两种实现方法，即先验参数化和通过适当的广义分解框架动态构造模态基。后者还扩展到处理时空亮度和对比度校正，这是校正黑体辐射在高温下产生的影响所必需的。在此基础上，提出了一种参考图像去噪方法。提前设定的时基、模态分解和非侵入性算法方案使得时空正则化也被开发应用于有限元立体DIC，用以测量微应变。这些策略被应用于大型图像序列的分析，并被证明在减轻热雾效应方面是有效的（图2，图3）。

Fig.2 – Effect of spacetime stereoDIC on the measurement of nodal out-of-plane displacements, through the comparison of (a) instantaneous and (b) spatiotemporal approaches.

 

 

Fig.3 – Nodal out-of-plane displacement field at 1,300°C (i.e., image no. 1,200) measured with (a) instantaneous and (b) spatiotemporal FE-stereoDIC.

 

因此，在高于1300°C的温度下，在CMC表面上测量了一致且可靠的2D和3D位移场，减少了时间和空间波动，达到了远低于在试验装置上物理添加风扇所能实现的水平，因此，统一的时空框架对高温下CMCs的DIC分析是有利的。

这项研究工作的最后一步是开发一种基于加权温度和运动学函数（称为加权FEMU-TU）的通用辨识算法，该算法使用了与EikoTwin Digital Twin中提出的运动学和载荷数据相近的框架。加权FEMU-TU基于全场温度和位移（2D/3D表面）并考虑测量不确定性（通过协方差矩阵）来识别严重3D热载荷下SiC/SiC复合材料的热边界条件和热机械性能。选择测量空间和时间基作为参考，计算场和灵敏度被投影到这些基上，特别是使用校准的投影矩阵。因此，测量和计算的热机械场进行了“适当”比较。此外，由于时空策略的引入，采用了正则化位移场来最小化热雾的影响。另一方面，由于使用了一个现场散斑校准靶（为实验装置量身定做），立体试验台的校准是在一个全局立体框架中进行的。通过组合所有这些程序，所寻求的参数的识别在四个分析实验中都取得了非常令人满意的结果。特别是，与测量波动和噪声地板相比，热残差（图4）和运动残差（即测量场和计算场之间的差异）水平较低，突出了在实际实验中识别的成功。

Fig.4 – (a) Temperature field for the steady state and (b) associated thermal residual field at the end of a FEMU-TU procedure. (c) Change in measured and computed temperatures for five points of the sample whose locations are indicated in (a).

 

结论

综上所述，通过从测量到热机械性能的鉴定，我们开发了一套完整而可靠的程序来处理CMCs的高温试验。这些改进是为了减少温度升高的影响，提高热测量和运动测量的可靠性，以便在测量波动影响最小的情况下进行参数识别。这些预防措施使得在高温下测试的SiC/SiC复合材料的热机械响应的评估更加可靠。