數(shù)字圖像相關(guān)方法在民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

曾小虎　李贊澄

【摘 要】基于某民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)室，探討了數(shù)字圖像相關(guān)方法與傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，論證了數(shù)字圖像相關(guān)方法在民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中的必要性，并提出了數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案以滿足該民機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)室多樣化測(cè)量需求。

【關(guān)鍵詞】民機(jī)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)室；數(shù)字圖像相關(guān)方法

0 引言

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)是民機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)過程中必不可少的基本條件之一，從結(jié)構(gòu)選材到性能驗(yàn)證整個(gè)漫長的研發(fā)過程中，大量材料、元件、組件、部件的選用和設(shè)計(jì)都離不開試驗(yàn)的支持和驗(yàn)證。而隨著我國民機(jī)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，民機(jī)的結(jié)構(gòu)、受載狀態(tài)越來越復(fù)雜，民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)和測(cè)試方法也提出了更高的要求，如三維應(yīng)變場(chǎng)測(cè)試問題、測(cè)試系統(tǒng)的抗電磁干擾問題以及接觸測(cè)量所導(dǎo)致的被測(cè)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的變化問題等，致使傳統(tǒng)的測(cè)試方法難以達(dá)到理想的測(cè)試效果。

因此，數(shù)字圖像相關(guān)方法以其全場(chǎng)測(cè)量、非接觸等優(yōu)勢(shì)得到了極大的關(guān)注[1]。近年來，數(shù)字圖像相關(guān)方法發(fā)展迅速，已經(jīng)成功地應(yīng)用于各種材料的力學(xué)行為測(cè)試、動(dòng)態(tài)測(cè)量、斷裂力學(xué)分析等方面中。本文以某民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)室為例，探討了數(shù)字圖像相關(guān)方法與傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，論證了數(shù)字圖像相關(guān)方法在民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中的必要性。

1 數(shù)字圖像相關(guān)方法介紹

1.1 數(shù)字圖像相關(guān)方法簡介

數(shù)字圖像相關(guān)方法（Digital Image Correlation），是一種基于數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)的非接觸式光學(xué)測(cè)量方法，也稱為數(shù)字散斑相關(guān)方法，簡稱DIC方法。這種方法主要用于測(cè)量在外載荷或者其他因素作用下材料或者結(jié)構(gòu)的變形場(chǎng)。它是圖像處理與識(shí)別技術(shù)、現(xiàn)代先進(jìn)光電技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代光測(cè)力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

1.2 數(shù)字圖像相關(guān)方法基本原理[2]

數(shù)字圖像相關(guān)方法通過處理不同狀態(tài)下試件表面的兩幅數(shù)字圖像，獲取需求像素點(diǎn)的位移信息，并利用變形前后圖像的散斑灰度特征建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。然后依據(jù)這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，在變形前后圖像上尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)，最終得到所求位移值。其中，變形前、后的圖像分別稱為參考圖像和目標(biāo)圖像。基本原理示意圖如圖1所示：

符號(hào)<>表示矩陣元素的平均值。當(dāng)C=1時(shí)，表示兩個(gè)子區(qū)域完全相關(guān)；C=0時(shí)，表示兩個(gè)子區(qū)域毫無相關(guān)。采用數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，通常將參考圖像中待計(jì)算區(qū)域以虛擬網(wǎng)格形式進(jìn)行劃分，然后計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移，從而得出全場(chǎng)位移。

2 數(shù)字圖像相關(guān)方法與傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試方法對(duì)比

2.1 傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試方法

傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)試方法是應(yīng)變電測(cè)法。通過應(yīng)變電測(cè)法進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量是對(duì)工程結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造和裝配的可靠性以及安全性進(jìn)行測(cè)試、分析和評(píng)估的常用手段，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶等工程領(lǐng)域。圖2所示為應(yīng)變電測(cè)法在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

應(yīng)變電測(cè)法首先通過粘貼于試件表面的電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，并繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線，再根據(jù)該曲線確定試件的表面應(yīng)力狀態(tài)，從而進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)力分析。測(cè)量流程如圖3所示：

2.2 數(shù)字圖像相關(guān)方法與傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試方法對(duì)比分析

對(duì)于現(xiàn)代民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)變測(cè)量，一般有兩種方法：接觸式和非接觸式。

接觸式方法中最常用的應(yīng)變電測(cè)法是一種表面應(yīng)變逐點(diǎn)測(cè)量方法，技術(shù)成熟，距今已有70年左右的歷史，應(yīng)用范圍涉及各種行業(yè)領(lǐng)域[3]。具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）應(yīng)變片尺寸小、重量輕，粘貼方便，對(duì)試件的工作狀態(tài)和應(yīng)力分布影響小；

2）測(cè)量靈敏度和精度高，常溫測(cè)量時(shí)精度可達(dá)到1%～2%；

3）頻率響應(yīng)快，機(jī)械滯后小；

4）技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。

但是，應(yīng)變電測(cè)法受到其測(cè)量手段的限制，具有如下局限性：

1）盡管應(yīng)變片尺寸可以很小，但是對(duì)應(yīng)力集中的測(cè)量仍不夠精確；

2）一枚應(yīng)變片只能測(cè)一個(gè)“點(diǎn)”，而且測(cè)出的應(yīng)變只能代表柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變；

3）應(yīng)變電測(cè)法只能進(jìn)行表面應(yīng)變測(cè)量，無法進(jìn)行三維應(yīng)變測(cè)量。

非接觸式方法中趨于成熟的數(shù)字圖像相關(guān)方法起源于上世紀(jì)八十年代，可以直接采用自然光源或白光源，通過高分辨率的CCD或CMOS相機(jī)采集圖像，并利用相關(guān)算法處理圖像信息，從而得出全場(chǎng)應(yīng)變。由于數(shù)字圖像相關(guān)方法的測(cè)量精度取決于數(shù)字圖像的分辨率和清晰度，因此隨著科技和數(shù)字化的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)方法的測(cè)量精度也在不斷提升[4]。該方法的優(yōu)點(diǎn)如下所述：

1）屬于光學(xué)測(cè)量方法，抗電磁干擾能力強(qiáng)；

2）屬于非接觸式測(cè)量方法，具有應(yīng)變電測(cè)法所不能達(dá)到的全場(chǎng)測(cè)量優(yōu)勢(shì)，既可以測(cè)量結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)變，也可以測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變；

3）該方法可以直觀反映出應(yīng)力集中現(xiàn)象，不僅很容易找到應(yīng)力集中的部位，而且可以確定應(yīng)力集中系數(shù)；

4）可以進(jìn)行三維應(yīng)變測(cè)量。

但是，數(shù)字圖像相關(guān)方法同樣存在一些技術(shù)缺陷：

1）對(duì)于極限環(huán)境下的應(yīng)變測(cè)量，需對(duì)相機(jī)鏡頭進(jìn)行保護(hù)；

2）使用前需對(duì)攝像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；

3）技術(shù)不夠成熟，無法完全取代應(yīng)變電測(cè)法。

通過對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)方法和應(yīng)變電測(cè)法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出數(shù)字圖像相關(guān)方法擁有應(yīng)變電測(cè)法所無法達(dá)到的全場(chǎng)測(cè)量優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了應(yīng)變電測(cè)法的缺陷，具有可觀的應(yīng)用前景。

3 數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用的必要性

在民機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中，傳統(tǒng)的應(yīng)變電測(cè)法可以完成大部分的應(yīng)變測(cè)量任務(wù)。但是有時(shí)會(huì)遇到結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)未知的情況，應(yīng)變電測(cè)法難以準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力區(qū)域，這時(shí)測(cè)量結(jié)構(gòu)的全場(chǎng)應(yīng)變顯得尤為重要。而通過數(shù)字圖像相關(guān)方法可以獲取結(jié)構(gòu)的全場(chǎng)應(yīng)變并以圖像的形式直觀地顯示出最大應(yīng)力區(qū)域。

以某民機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)室為例，根據(jù)該試驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)芰Φ囊?guī)劃，分析其應(yīng)變測(cè)量需求。

該民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)室規(guī)劃的總體試驗(yàn)?zāi)芰椋?/p>

1）能夠同時(shí)進(jìn)行兩項(xiàng)部件級(jí)靜強(qiáng)度試驗(yàn)和兩項(xiàng)部件級(jí)疲勞試驗(yàn)；

2）能同時(shí)開展十項(xiàng)組（元）件級(jí)靜強(qiáng)度及疲勞試驗(yàn)。

對(duì)于組（元）件級(jí)靜強(qiáng)度及疲勞試驗(yàn)，傳統(tǒng)的應(yīng)變電測(cè)法是可以滿足測(cè)量需求的。然而，對(duì)于部件級(jí)靜力和疲勞試驗(yàn)，由于部件級(jí)結(jié)構(gòu)和負(fù)載狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，所以這些結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)在試驗(yàn)前是未知的，這時(shí)采用數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量結(jié)構(gòu)的全場(chǎng)應(yīng)變，可以獲得更為理想的測(cè)量效果。

由此可見，對(duì)于該民機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)室元件、組件及部件級(jí)靜力與疲勞試驗(yàn)，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法來輔助傳統(tǒng)應(yīng)變電測(cè)法進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量是相當(dāng)必要的。

4 數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

4.1 數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成

通過上一章的分析可知，數(shù)字圖像相關(guān)方法可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)應(yīng)變電測(cè)法無法進(jìn)行全場(chǎng)測(cè)量的缺陷，因此為滿足民機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)多樣化的應(yīng)變測(cè)量需求，提出了數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖4所示，包括應(yīng)變測(cè)量頭、CMOS高速相機(jī)、控制器、LED照明裝置、圖形工作站、分析軟件、三角架和數(shù)據(jù)線。

4.2 數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)采用立體雙CMOS相機(jī)測(cè)量技術(shù)，基于數(shù)字圖像相關(guān)原理，利用一個(gè)靈活的觸發(fā)器讀取并記錄負(fù)載信號(hào)，控制系統(tǒng)進(jìn)行同步的圖像采集。系統(tǒng)具備極高的可靠性和測(cè)量精度，測(cè)量范圍可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，可以準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)地測(cè)量大量反光靶點(diǎn)的動(dòng)態(tài)位置坐標(biāo)，通過對(duì)試件在不同負(fù)載條件或不同運(yùn)動(dòng)條件下靶點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)量，準(zhǔn)確計(jì)算出試件相應(yīng)位置的位移和變形，結(jié)果以動(dòng)態(tài)圖形化顯示和輸出。

該套系統(tǒng)適于測(cè)量和計(jì)算在負(fù)載和溫度變化條件下剛性零件的位移、物體的變形、軌跡以及零件的動(dòng)態(tài)特性。能夠測(cè)得試件表面三維全場(chǎng)應(yīng)變圖，真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，系統(tǒng)可開展高速拉伸條件下的全場(chǎng)和局部應(yīng)變測(cè)試、常溫和高低溫環(huán)境下動(dòng)靜態(tài)力學(xué)測(cè)試和疲勞試驗(yàn)的測(cè)量要求，并且可以實(shí)時(shí)測(cè)量定靜、動(dòng)態(tài)測(cè)試中的應(yīng)力分布，圖形化顯示，立即識(shí)別出臨界區(qū)域、從而為材料或者結(jié)構(gòu)的測(cè)試和分析提供準(zhǔn)確可靠的力學(xué)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文基于某民機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)室，討論了兩種應(yīng)變測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，通過分析，論證了數(shù)字圖像相關(guān)方法在民機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中的必要性，并提出了數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，豐富了該民機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)室的試驗(yàn)手段，提高了該試驗(yàn)室的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王偉平]