纖維纏繞殼體內壓結構強度試驗中的光學非接觸式應變測試方法

鄭榮田，李 輝2，張 波，蘇麗芳

(1.西安航天復合材料研究所，西安 710025；2.火箭軍裝備部駐西安第一代表室，西安 710025)

在研究各種材料本構關系的試驗過程中,實時應變的測量方法很多,總體上可分為兩種，接觸式和非接觸式。而對于一些高分子材料、纖細柔性材料和溫度場中材料的試驗來說, 接觸式應變測量存在定位困難、操作復雜等問題。散斑測量種類繁多,如散斑干涉可以測量物體的位移、應變和振動等，其優點是測量范圍大、精度高,光路較簡單,一般不需隔振臺,對光源功率要求低，缺點是要求有相干光,儀器方面實現起來會有一定的不便;另外，還有白光散斑測量,該方法是人為地在物體表面上制造隨機分布的散斑,如在物體表面噴涂玻璃微珠、銀粉漆或在白的背景上噴黑斑點，以及在透明物體內部混入微小顆粒等。當物體受力變形時,被白光照射的散斑僅隨物體表面一起運動,然后得到散斑點的變化情況,從而測量出位移、實時應變等[1]。目前白光散斑法已在位移、振動和曲表面變形的測量中得到應用,其特點是簡單易行,是一種具有發展前途的新方法。使用電測法進行測試時，只能對殼體局部很小的面積進行測試，且只能進行點測，特別是筒身段，現技術驗收條件提出筒身段應變不得大于某個固定值，而該方法無法說明整個筒身段的應變最大值，殼體的其他部位同理無法找出應變最大點或關鍵點。而采用光學非接觸式應變測試法，一次的量測可獲得大范圍的應變場數據分布，應變集中區域很容易被突顯出來，而且對應變測點無需打磨、不損傷纖維，這是傳統應變測試方法所做不到的。鑒于接觸式應變位移測量方法的局限性，筆者探討了一種基于數字圖像處理技術的非接觸應變位移測試方法——數字散斑相關方法在纖維纏繞殼體內壓結構強度試驗中的應用。

1 相關測量原理

測量原理為：以CCD(電荷耦合器件)數字攝相機或高速相機，獲得對象表面在形變過程的連續圖像，并對對象表面的灰階特征(speckle pattern)及三維坐標定位，精確地計算出x,y,z3個軸向的全場位移分布及應變分布，追蹤試片表面的特征點以獲得位移場，位移場的梯度即是應變場。

圖1 圖像相關測量系統配置

測量系統也可由多組相機拼接，以全面多角度獲取物體表面的信息，實現一次測量360°而建立物體的三維模型。由2個相機組成的圖像相關測量系統配置如圖1所示，系統的CCD 將光強信號轉換成視頻信號[2]，兩路CCD 信號連接到視頻信號切換器，利用視頻信號切換器可將兩路信號來回切換，并把所需信號送入圖形采集卡，視頻信號由圖像采集卡進行A/D(模擬/數字) 轉換，轉換后形成數字灰圖像存儲在幀存器中，由計算機進行相關運算，計算出標記的位移和試件應變值。

2 試驗系統的建立

試驗系統主要包括：UCAM500A數據采集系統(用于標準容器的應變采集)；85 MPa加載系統(用于標準容器的加載)；XJTUDIC三維數字散斑動態應變測量分析系統；Vic-3D非接觸式全場形變測量系統。試驗容器為纖維纏繞150殼體、纖維纏繞480殼體。

3 對比試驗過程及結果分析

3.1 纖維纏繞殼體表面的處理及系統的標定

針對光學應變測試系統對被測產品表面的要求，采用兩種方式對纖維纏繞殼體進行了表面處理[3]，分別為:在白基色上加上輕微噴灑的、大小不均的黑點(見圖2);使用廠家提供的記號筆在產品表面進行標記(見圖3)。

圖2 自噴漆涂層的表面

圖3 特制記號筆進行標記的表面

散斑技術測量應變系統使用標定板進行標定(見圖4)，再利用軟件進行三維校準。

圖4 使用標定板對系統進行標定

3.2 纖維纏繞殼體應變測試對比試驗及結果

對150纖維纏繞殼體分別采用XJTUDIC系統及Vic-3D光學應變測量系統進行了兩次試驗，在內壓加載試驗過程中，同時使用傳統電測法和光學非接觸法應變測試，測試部位見圖5。采用XJTUDIC系統時，對表面使用自噴漆涂層，試驗結果見表1。采用Vic-3D系統時，對表面使用特制記號筆涂層，試驗結果見表2。

圖5 殼體應變測點及光學應變檢測區域

表1 XJTUDIC系統非接觸法與應變片法檢測150纖維纏繞殼體筒段的微應變(με)數據

由表2可見，3號數據明顯偏大，初步分析認為是此部位的膠層開裂引起了數據的跳變。下面以應變片所測實際值(真值)為基準[4]，對上述試驗光學非接觸式應變測試系統所測應變數據的絕對誤差和相對誤差進行分析，計算方法如式(1)，(2)所示,具體結果見表3。

表3 應變片與光學非接觸應變測量的微應變(με)結果與誤差

Ea=x-μ0

(1)

(2)

式中：Ea，Er分別為絕對誤差和相對誤差；x為測量值；μ0為真值。

由表3可知，數據91.89%在一組測量值中明顯偏大，這樣的測量值稱為離群值或可疑值，其已超出隨機誤差的限度，屬于異常值，應該舍去。 所得的相對誤差范圍為0.29%～9.7%，與筆者在日常工作中使用應變片所測纖維纏繞殼體所得數據一致，符合在同一環向的變化規律。

3.3 光學應變測量系統對纖維纏繞殼體封頭部位的全場應變測試及結果

采用XJTUDIC光學應變測量系統對480纖維纏繞殼體封頭部位進行了全場對比試驗，表面處理使用自噴漆，具體位置見圖6。最高進行了7 MPa的水壓試驗，XJTUDIC光學應變測量系統所測最大主應變見表4。圖7，8分別為XJTUDIC光學應變測量系統所測480纖維纏繞殼體在3.5 MPa，7 MPa下的應變云圖。

表4 光學散斑所測480纖維纏繞殼體的最大主應變數據 %

圖6 480纖維纏繞殼體應變測點及光學應變測試區域

圖7 480纖維纏繞殼體在3.5 MPa下的應變云圖

圖8 480纖維纏繞殼體在7 MPa下的應變云圖

測試部位為橢球面，由表4可直接得出此部位的最大主應變，從圖7，8可以全面地了解所測面積內的應變，可以看出非接觸光學應變測試方法具有非接觸式、全場測量、多樣性數據輸出等優點，對于纖維纏繞殼體同時還存在著試驗后殼體表面難清理等缺點。

4 結語

通過檢測結果可以看出，采用噴涂制作散斑的方法具有測量面積較大的優點，但在試驗后纖維纏繞殼體表面清理較困難，記號筆點畫法制作散斑的方法可以靈活地在關鍵區域進行測量，相對易清理。與傳統的應變片電測法相比，光學非接觸式應變測量方法具有可全場測量、測量范圍寬的優勢，經試驗及數據分析證實了光學非接觸式應變測試方法應用于纖維纏繞殼體內壓結構強度試驗的可行性。