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實驗通過超高速成像系統與雙目數字圖像相關（DIC）技術，對電機在40000 rpm轉速下的葉片動態變形進行實測。通過對合位移、點間距、離面振幅及拉格朗日應變等關鍵指標定量分析，驗證高速工況下葉片的結構完整性與氣動特性，為電機動力輸出優化與仿真模型校驗提供實測數據依據。
1 實驗背景
高速電機在散熱模組與精密驅動系統中被廣泛應用，其核心部件葉片在高速旋轉工況下會受到離心載荷、氣動載荷的激勵，發生葉片彈性伸長、彎曲振動及應變變化，引起葉片結構失效，影響電機氣動特性與效率。
針對現有高速旋轉工況下葉片變形行為，通過仿真模型進行預測，缺乏實驗數據校驗，難以準確反映復雜工況下的實際表現，使用普通高速攝像機，又難以實現高時空分辨率下的定量捕捉。
國內某電機廠，引入千眼狼雙目高速攝像機NEO25結合數字圖像相關（DIC）技術，對電機葉片在高速旋轉工況下的位移、長度變化、離面振動及應變響應進行非接觸三維全場測量，通過實測數據驗證仿真模型可靠性。
2 實驗簡介
2.1 實驗對象
實驗對象為某小型高速電機葉片，單片葉片外徑約4cm，電機被驅動至40000 rpm。
2.2 實驗設備
實驗采用中科君達視界軟硬件全自主研發的千眼狼雙目高速數字圖像相關（DIC）系統，核心配置如下：
高速攝像機：NEO25×2。
采樣參數設置：ROI下41000 fps
采集時長：約0.025 s
鏡頭：100 mm定焦鏡頭
光源：千眼狼自主研發的高強度連續光源
偏振片：高速攝像機鏡頭前加裝偏振片以抑制強反光
2.3 實驗方法
首先通過雙目立體標定建立三維測量坐標系，利用高速攝像機追蹤記錄約0.025 s葉片數字散斑圖像，基于數字圖像相關（DIC）算法對葉片數字散斑圖像，獲取選定階段點及階段多邊形區域在時間域內的三維位移和拉格朗日應變。同時針對高速旋轉運動的特點，采用相對量如點-點距離變化來表征葉片長度變化，以降低整體剛體運動對測量結果的干擾。
3 實驗數據
3.1 葉片選定階段點的合位移
在葉片上選取階段點，對其在旋轉過程中的三維合位移進行跟蹤，高速數字圖像相關（DIC）結果顯示，該階段點的合位移呈現顯著周期性變化，波動幅度約為32 mm。該位移量主要是來自葉片繞轉軸的剛體旋轉貢獻，主要用于驗證DIC系統在高速旋轉工況下對運動軌跡捕捉的完整性與穩定性。
3.2 葉片兩選定點的長度變化
實驗在同一葉片上選取兩階段點，計算其在旋轉過程中的點點距離變化，用于表征葉片在高速離心載荷激勵下徑向方向的拉伸變形行為。對于微型高轉速電機而言，葉片與外殼之間的安全間隙設計，是防止運行過程中發生剮蹭、甚至失效的關鍵結構參數，故獲取葉片在高速工況下的離心伸長量是本次實驗核心目標。
實驗結果表明，兩選定點距離差的波動幅度在20~30 μm區間，與仿真預測結果一致，說明在40000 rpm穩態工況下，葉片離心伸長處于彈性工作區間，驗證葉片結構設計在高速工況下具備足夠的長度裕度。設計角度，該實測伸長量為葉片-外殼徑向間隙的確定提供了實測依據，基于實測數據進行間隙設計可降低高速運行下發生剮蹭風險，提高整機可靠性與壽命。
3.3 葉片選定點的離面振幅
葉片選定階段點的離面位移（垂直于旋轉平面方向）進行分析，DIC系統測量結果顯示振幅總體控制在2 mm以內，表明在當前轉速與工況下，葉片未發生顯著的離面共振或失穩振動，電機整體動力學良好。
3.4 葉片選定區域的拉格朗日應變
實驗在葉片表面選定階段區域，利用千眼狼數字圖像相關(DIC)軟件計算其拉格朗日應變時序變化。實驗結果顯示，拉格朗日應變平均值在10 με范圍內波動，表明葉片材料在該工況下處于低應變彈性狀態，結構安全裕度充足。測量結果也從應變層面驗證了仿真模型材料參數與載荷設置合理。
4 實驗結論
4.1 本次實驗實現了40000 rpm高速旋轉工況下，對小尺寸電機葉片進行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技術在極端工況下的適用性。相較于僅依賴仿真分析，高速數字圖像相關（DIC）實驗手段為電機性能評估提供了直接量化的實測依據，有助于縮短設計驗證周期，降低安全風險。
4.2 實驗測量結果，葉片的軸向長度變化量級為20~30 μm，與仿真結果一致，表明電機在穩態高速運行階段的離心變形可控，未對氣動性能和結構安全構成不利影響。離面振動與拉格朗日應變均未表現不穩定特征，說明電機啟動與穩態運行過程中的動力學響應平穩，設計方案具備較高可靠性。
4.3 設備選型推薦，千眼狼超高速攝像機NEO25配合數字圖像散斑方案，可在微米級精度下完成高速旋轉結構的動態變形測量，適用于小型高速電機、微型轉子及類似高速旋轉部件的工程驗證。
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