基于双目高速数字图像相关（DIC）技术的电机叶片高速旋转变形实验

实验通过超高速成像系统与双目数字图像相关（DIC）技术，对电机在40000 rpm转速下的叶片动态变形进行实测。通过对合位移、点间距、离面振幅及拉格朗日应变等关键指标定量分析，验证高速工况下叶片的结构完整性与气动特性，为电机动力输出优化与仿真模型校验提供实测数据依据。

1 实验背景

高速电机在散热模组与精密驱动系统中被广泛应用，其核心部件叶片在高速旋转工况下会受到离心载荷、气动载荷的激励，发生叶片弹性伸长、弯曲振动及应变变化，引起叶片结构失效，影响电机气动特性与效率。

针对现有高速旋转工况下叶片变形行为，通过仿真模型进行预测，缺乏实验数据校验，难以准确反映复杂工况下的实际表现，使用普通高速摄像机，又难以实现高时空分辨率下的定量捕捉。

国内某电机厂，引入千眼狼双目高速摄像机NEO25结合数字图像相关（DIC）技术，对电机叶片在高速旋转工况下的位移、长度变化、离面振动及应变响应进行非接触三维全场测量，通过实测数据验证仿真模型可靠性。

2 实验简介

2.1 实验对象

实验对象为某小型高速电机叶片，单片叶片外径约4cm，电机被驱动至40000 rpm。

2.2 实验设备

实验采用中科君达视界软硬件全自主研发的千眼狼双目高速数字图像相关（DIC）系统，核心配置如下：

• 高速摄像机：NEO25×2。

• 采样参数设置：ROI下41000 fps

• 采集时长：约0.025 s

• 镜头：100 mm定焦镜头

• 光源：千眼狼自主研发的高强度连续光源

• 偏振片：高速摄像机镜头前加装偏振片以抑制强反光

2.3 实验方法

首先通过双目立体标定建立三维测量坐标系，利用高速摄像机追踪记录约0.025 s叶片数字散斑图像，基于数字图像相关（DIC）算法对叶片数字散斑图像，获取选定阶段点及阶段多边形区域在时间域内的三维位移和拉格朗日应变。同时针对高速旋转运动的特点，采用相对量如点-点距离变化来表征叶片长度变化，以降低整体刚体运动对测量结果的干扰。

3 实验数据

3.1 叶片选定阶段点的合位移

在叶片上选取阶段点，对其在旋转过程中的三维合位移进行跟踪，高速数字图像相关（DIC）结果显示，该阶段点的合位移呈现显著周期性变化，波动幅度约为32 mm。该位移量主要是来自叶片绕转轴的刚体旋转贡献，主要用于验证DIC系统在高速旋转工况下对运动轨迹捕捉的完整性与稳定性。

3.2 叶片两选定点的长度变化

实验在同一叶片上选取两阶段点，计算其在旋转过程中的点点距离变化，用于表征叶片在高速离心载荷激励下径向方向的拉伸变形行为。对于微型高转速电机而言，叶片与外壳之间的安全间隙设计，是防止运行过程中发生剐蹭、甚至失效的关键结构参数，故获取叶片在高速工况下的离心伸长量是本次实验核心目标。

实验结果表明，两选定点距离差的波动幅度在20~30 μm区间，与仿真预测结果一致，说明在40000 rpm稳态工况下，叶片离心伸长处于弹性工作区间，验证叶片结构设计在高速工况下具备足够的长度裕度。设计角度，该实测伸长量为叶片-外壳径向间隙的确定提供了实测依据，基于实测数据进行间隙设计可降低高速运行下发生剐蹭风险，提高整机可靠性与寿命。

3.3 叶片选定点的离面振幅

叶片选定阶段点的离面位移（垂直于旋转平面方向）进行分析，DIC系统测量结果显示振幅总体控制在2 mm以内，表明在当前转速与工况下，叶片未发生显著的离面共振或失稳振动，电机整体动力学良好。

3.4 叶片选定区域的拉格朗日应变

实验在叶片表面选定阶段区域，利用千眼狼数字图像相关(DIC)软件计算其拉格朗日应变时序变化。实验结果显示，拉格朗日应变平均值在10 με范围内波动，表明叶片材料在该工况下处于低应变弹性状态，结构安全裕度充足。测量结果也从应变层面验证了仿真模型材料参数与载荷设置合理。

4 实验结论

4.1 本次实验实现了40000 rpm高速旋转工况下，对小尺寸电机叶片进行三维全场非接触动态位移与应变测量，验证了双目高速数字图像相关DIC技术在极端工况下的适用性。相较于仅依赖仿真分析，高速数字图像相关（DIC）实验手段为电机性能评估提供了直接量化的实测依据，有助于缩短设计验证周期，降低安全风险。

4.2 实验测量结果，叶片的轴向长度变化量级为20~30 μm，与仿真结果一致，表明电机在稳态高速运行阶段的离心变形可控，未对气动性能和结构安全构成不利影响。离面振动与拉格朗日应变均未表现不稳定特征，说明电机启动与稳态运行过程中的动力学响应平稳，设计方案具备较高可靠性。

4.3 设备选型推荐，千眼狼超高速摄像机NEO25配合数字图像散斑方案，可在微米级精度下完成高速旋转结构的动态变形测量，适用于小型高速电机、微型转子及类似高速旋转部件的工程验证。

官方网址

www.gaosuxiangji.com

全国服务电话

400-859-1866

官方抖音号

千眼狼高速摄像机