針對高速電機在極端轉(zhuǎn)速工況下葉片變形難以通過傳統(tǒng)實驗手段準確獲取的問題，本文基于雙目高速數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation, DIC）技術(shù)，結(jié)合超高速相機，對某小型高速電機在 40 000 rpm 穩(wěn)態(tài)運行條件下的葉片動態(tài)變形行為進行了非接觸、三維、全場實測。
實驗定量獲取了葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中的三維合位移、點間距變化（離心伸長）、離面振動幅值以及拉格朗日應變時序響應，并將實測結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)論進行對比分析。結(jié)果表明：在目標轉(zhuǎn)速下，葉片處于穩(wěn)定彈性工作區(qū)間，結(jié)構(gòu)完整性與動力學響應良好。相關(guān)實測數(shù)據(jù)可為高速電機葉片結(jié)構(gòu)設計、徑向間隙確定及仿真模型校核提供可靠實驗依據(jù)。
關(guān)鍵詞：高速電機；葉片變形；雙目DIC；高速相機；非接觸測量；拉格朗日應變
1 引言與研究背景
高速電機因其功率密度高、響應速度快，在高效散熱模組、精密驅(qū)動系統(tǒng)及微型動力裝置中得到廣泛應用。作為關(guān)鍵功能部件，電機葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中同時承受強離心載荷與復雜氣動載荷，易產(chǎn)生徑向拉伸、彎曲振動及應變集中等結(jié)構(gòu)響應。
在工程實踐中，高速葉片的結(jié)構(gòu)設計主要依賴有限元及多體動力學仿真。然而，在 高轉(zhuǎn)速、小尺寸、強剛體運動疊加微小彈性變形 的條件下，仿真結(jié)果若缺乏實測數(shù)據(jù)驗證，難以全面反映真實工況下的動態(tài)行為。此外，傳統(tǒng)接觸式傳感器及普通高速攝像技術(shù)在空間分辨率、測量維度和抗干擾能力方面均存在明顯局限。
基于上述背景，某知名電機廠商引入中科君達視界軟硬件均自研的雙目高速數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，結(jié)合千眼狼超高速相機NEO25，對高速電機葉片在實際運行狀態(tài)下的三維動態(tài)變形進行直接測量，為高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的工程驗證提供實驗級證據(jù)。
2 實驗系統(tǒng)與測試方法
2.1 實驗簡介
針對 40 000 rpm 及以上工況下葉片的動態(tài)變形與應變測量需求，推薦采用超高速相機 + 數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）應變測量系統(tǒng) 的非接觸測試方案。其中，雙目超高速相機可在萬幀級采樣頻率下同步捕捉葉片表面散斑圖像，通過立體視覺重建獲得葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中的三維位移場；結(jié)合 數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）應變測量系統(tǒng)，可進一步定量計算葉片的徑向離心伸長、離面振動響應及拉格朗日應變分布。該測試方案能夠有效抑制高速旋轉(zhuǎn)帶來的剛體運動干擾，實現(xiàn)微米級位移分辨率與微應變級測量精度，為高速電機葉片的結(jié)構(gòu)安全評估、徑向間隙設計及仿真模型校核提供可靠的實驗依據(jù)。
2.2 推薦實驗設備與測量系統(tǒng)組合
在實際工程應用中，可選用 千眼狼 NEO25 超高速相機 組成雙目高速成像系統(tǒng)，配合成熟的數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）應變測量系統(tǒng)使用。
●超高速相機：千眼狼NEO25 × 2（雙目同步）
●采樣頻率：41 000 fps（ROI模式）
●采集時長：約 0.025 s
●鏡頭配置：100 mm 定焦工業(yè)鏡頭
●光源系統(tǒng)：高強度連續(xù)光源（千眼狼定制）
●光學處理：鏡頭前端加裝偏振片，有效抑制金屬葉片表面強反射
該組合在高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)測試中具備以下技術(shù)優(yōu)勢：
●超高速相機支持全畫幅下數(shù)萬幀級采樣速率，滿足高速電機葉片捕捉
●雙目 DIC 系統(tǒng)可實現(xiàn) 三維全場非接觸位移與應變測量
●對小尺寸葉片的 20–30 μm 級離心伸長與低應變彈性響應具備穩(wěn)定解析能力
●適用于高速電機、微型轉(zhuǎn)子、渦輪葉片等高速旋轉(zhuǎn)部件的研發(fā)驗證階段
●核心設備千眼狼超高速相機NEO25 vs Photron Nova S20選型參數(shù)對比：
2.3 測量原理與數(shù)據(jù)處理方法
實驗首先通過雙目立體標定建立三維測量坐標系。隨后，利用超高速相機同步采集葉片表面隨機散斑圖像序列，并基于數(shù)字圖像相關(guān)算法，計算：
●指定階段點的三維位移時程
●階段點對之間的相對距離變化
●階段區(qū)域的拉格朗日應變演化
針對高速旋轉(zhuǎn)帶來的大幅剛體運動，本次實驗采用相對量分析策略（如點-點距離變化）以有效削弱整體旋轉(zhuǎn)對微小彈性變形測量的干擾，從而提升結(jié)果的工程可解釋性。
3 實驗結(jié)果與分析
3.1 葉片階段點三維合位移特征
在葉片表面選取典型階段點，對其旋轉(zhuǎn)過程中的三維合位移進行跟蹤。DIC 結(jié)果顯示，該階段點位移呈現(xiàn)明顯周期性變化，峰-峰值約為 32 mm。
該量級主要來源于葉片繞電機轉(zhuǎn)軸的剛體旋轉(zhuǎn)運動，其結(jié)果驗證了雙目高速 DIC 系統(tǒng)在 高轉(zhuǎn)速、大位移場景下的軌跡追蹤穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)連續(xù)性。
3.2葉片徑向離心伸長量分析
在同一葉片上選取兩階段點，計算其點間距離隨時間的變化，以表征葉片在離心載荷作用下的徑向拉伸變形。
實驗結(jié)果表明，在 40 000 rpm 穩(wěn)態(tài)運行階段，兩點間距離變化幅度穩(wěn)定分布在 20–30 μm 區(qū)間，與仿真預測結(jié)果高度一致。這表明葉片離心伸長處于線性彈性區(qū)間，未發(fā)生塑性或失穩(wěn)行為。
從工程角度看，該實測伸長量為葉片—外殼徑向安全間隙設計提供了直接依據(jù)，可有效降低高速運行過程中發(fā)生剮蹭與結(jié)構(gòu)失效的風險。
3.3 葉片離面振動響應
對葉片階段點在垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向的離面位移進行分析。結(jié)果顯示，其振動幅值整體控制在 2 mm 以內(nèi)，未觀察到顯著的離面共振或不穩(wěn)定振型。
該結(jié)果表明，在當前轉(zhuǎn)速與工況條件下，電機葉片的動力學響應平穩(wěn)，系統(tǒng)未進入危險振動區(qū)間。
3.4 拉格朗日應變分布特征
在葉片表面選取階段區(qū)域，計算其拉格朗日應變隨時間的演化規(guī)律。實驗結(jié)果顯示，應變平均水平維持在 10 με 量級以內(nèi)，波動平緩。
該應變水平表明葉片材料在測試工況下處于低應變彈性狀態(tài)，從應變角度進一步驗證了結(jié)構(gòu)設計的安全裕度以及仿真模型中材料參數(shù)與載荷設定的合理性。
4 結(jié)論與工程意義
4.1 本研究在 40 000 rpm 高速旋轉(zhuǎn)工況下，成功實現(xiàn)了對小尺寸電機葉片的三維、全場、非接觸動態(tài)位移與應變測量，驗證了雙目高速數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)在極端旋轉(zhuǎn)條件下的工程適用性。
4.2 實測結(jié)果表明，葉片在穩(wěn)態(tài)高速運行階段的徑向離心伸長量約為 20–30 μm，離面振動與拉格朗日應變均未表現(xiàn)出失穩(wěn)特征，說明當前設計方案在結(jié)構(gòu)安全性與動力學響應方面具有較高可靠性。
4.3 從工程應用角度看，千眼狼 NEO25 超高速相機結(jié)合 DIC 測量方案，可在微米級精度下完成高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形測試，適用于小型高速電機、微型轉(zhuǎn)子及類似高速旋轉(zhuǎn)部件的研發(fā)驗證與仿真校核。
轉(zhuǎn)自：界面新聞
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