針對高速電機在極端轉速工況下葉片變形難以通過傳統實驗手段準確獲取的問題，本文基于雙目高速數字圖像相關（Digital Image Correlation, DIC）技術，結合超高速相機，對某小型高速電機在 40 000 rpm 穩態運行條件下的葉片動態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，并將實測結果與數值仿真結論進行對比分析。結果表明：在目標轉速下，葉片處于穩定彈性工作區間，結構完整性與動力學響應良好。相關實測數據可為高速電機葉片結構設計、徑向間隙確定及仿真模型校核提供可靠實驗依據。
關鍵詞：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、精密驅動系統及微型動力裝置中得到廣泛應用。作為關鍵功能部件，電機葉片在高速旋轉過程中同時承受強離心載荷與復雜氣動載荷，易產生徑向拉伸、彎曲振動及應變集中等結構響應。
在工程實踐中，高速葉片的結構設計主要依賴有限元及多體動力學仿真。然而，在 高轉速、小尺寸、強剛體運動疊加微小彈性變形 的條件下，仿真結果若缺乏實測數據驗證，難以全面反映真實工況下的動態行為。此外，傳統接觸式傳感器及普通高速攝像技術在空間分辨率、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字圖像相關（DIC）技術，結合千眼狼超高速相機NEO25，對高速電機葉片在實際運行狀態下的三維動態變形進行直接測量，為高速旋轉結構的工程驗證提供實驗級證據。
2 實驗系統與測試方法
2.1 實驗簡介
針對 40 000 rpm 及以上工況下葉片的動態變形與應變測量需求，推薦采用超高速相機 + 數字圖像相關（DIC）應變測量系統 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過程中的三維位移場；結合 數字圖像相關（DIC）應變測量系統，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帶來的剛體運動干擾，實現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構安全評估、徑向間隙設計及仿真模型校核提供可靠的實驗依據。
2.2 推薦實驗設備與測量系統組合
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，配合成熟的數字圖像相關（DIC）應變測量系統使用。
●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 定焦工業鏡頭
●光源系統：高強度連續光源（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
該組合在高速旋轉結構測試中具備以下技術優勢：
●超高速相機支持全畫幅下數萬幀級采樣速率，滿足高速電機葉片捕捉
●雙目 DIC 系統可實現 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定解析能力
●適用于高速電機、微型轉子、渦輪葉片等高速旋轉部件的研發驗證階段
●核心設備千眼狼超高速相機NEO25 vs Photron Nova S20選型參數對比：
2.3 測量原理與數據處理方法
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，并基于數字圖像相關算法，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
●階段區域的拉格朗日應變演化
針對高速旋轉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對微小彈性變形測量的干擾，從而提升結果的工程可解釋性。
3 實驗結果與分析
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，對其旋轉過程中的三維合位移進行跟蹤。DIC 結果顯示，該階段點位移呈現明顯周期性變化，峰-峰值約為 32 mm。
該量級主要來源于葉片繞電機轉軸的剛體旋轉運動，其結果驗證了雙目高速 DIC 系統在 高轉速、大位移場景下的軌跡追蹤穩定性與數據連續性。
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。
實驗結果表明，在 40 000 rpm 穩態運行階段，兩點間距離變化幅度穩定分布在 20–30 μm 區間，與仿真預測結果高度一致。這表明葉片離心伸長處于線性彈性區間，未發生塑性或失穩行為。
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，可有效降低高速運行過程中發生剮蹭與結構失效的風險。
3.3 葉片離面振動響應
對葉片階段點在垂直于旋轉平面方向的離面位移進行分析。結果顯示，其振動幅值整體控制在 2 mm 以內，未觀察到顯著的離面共振或不穩定振型。
該結果表明，在當前轉速與工況條件下，電機葉片的動力學響應平穩，系統未進入危險振動區間。
3.4 拉格朗日應變分布特征
在葉片表面選取階段區域，計算其拉格朗日應變隨時間的演化規律。實驗結果顯示，應變平均水平維持在 10 με 量級以內，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，從應變角度進一步驗證了結構設計的安全裕度以及仿真模型中材料參數與載荷設定的合理性。
4 結論與工程意義
4.1 本研究在 40 000 rpm 高速旋轉工況下，成功實現了對小尺寸電機葉片的三維、全場、非接觸動態位移與應變測量，驗證了雙目高速數字圖像相關（DIC）技術在極端旋轉條件下的工程適用性。
4.2 實測結果表明，葉片在穩態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出失穩特征，說明當前設計方案在結構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 超高速相機結合 DIC 測量方案，可在微米級精度下完成高速旋轉結構的動態變形測試，適用于小型高速電機、微型轉子及類似高速旋轉部件的研發驗證與仿真校核。
轉自：界面新聞
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