基于激光三維掃描的裂紋可視化表征方法

焦 婷，寧 寧，樊俊鈴，秦紀(jì)仇

(1.中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 六室 ， 西安 710065；2.上海恩眠機(jī)電科技有限公司 技術(shù)中心，上海 200240)

疲勞裂紋是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中的典型損傷[1]，會(huì)造成飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，承載能力下降，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。如果不能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)裂紋并檢測(cè)其擴(kuò)展情況，飛行安全會(huì)受到嚴(yán)重威脅[2-3]。對(duì)機(jī)體主要承載結(jié)構(gòu)和重要部件進(jìn)行裂紋檢測(cè)是增加飛機(jī)安全性和可靠性，降低飛機(jī)維修成本和運(yùn)行成本的一種重要手段[4]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者嘗試使用新技術(shù)檢測(cè)和表征裂紋。TAO等[5]采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)識(shí)別金屬表面裂紋；盧鵬[6]采用高分辨率CT成像獲得了三維裂紋在彎曲載荷作用下的擴(kuò)展行為及其形態(tài)。

近年來(lái)激光三維掃描技術(shù)發(fā)展迅速，該技術(shù)利用激光測(cè)距原理，通過(guò)高速激光掃描測(cè)量方法，可以在高分辨率下大面積獲取被測(cè)對(duì)象表面的高精度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及大量空間點(diǎn)位信息，快速建立物體的高精度、高分辨率三維模型[7-9]。其具有快速、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，在目標(biāo)識(shí)別、分類和高精度三維成像及測(cè)量方面有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[10-11]。將激光三維掃描技術(shù)用于裂紋表征，不僅可以獲得裂紋特征信息，而且可以在三維模型中表征裂紋特征和裂紋形貌，提高后續(xù)的分析效率。

因?yàn)榱鸭y是縫狀損傷，寬度約為幾十微米，存在局部裂紋與結(jié)構(gòu)尺寸之間的跨尺度效應(yīng)，所以研究三維激光成像技術(shù)表征裂紋特征的精度非常必要。

筆者將激光三維掃描技術(shù)應(yīng)用于裂紋表征，通過(guò)對(duì)4種代表不同目視可檢難易程度的典型裂紋特征進(jìn)行參數(shù)化表征，并對(duì)典型裂紋特征試樣進(jìn)行激光三維掃描，建立了激光三維掃描識(shí)別能力與飛機(jī)典型疲勞裂紋特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1 激光三維掃描儀

試驗(yàn)設(shè)備為工業(yè)級(jí)手持式激光三維掃描儀。掃描儀主要由光學(xué)成像部分、機(jī)械傳輸部分和電力部分組成，掃描儀的核心器件是完成光電轉(zhuǎn)換功能的電荷耦合器件(CCD)，又稱感光接收頭。掃描儀通過(guò)自身攜帶的光源照射被掃描對(duì)象，產(chǎn)生反射光或透射光，光學(xué)系統(tǒng)接收這些光線將其聚焦到CCD上，由CCD將光信號(hào)轉(zhuǎn)換，生成電信號(hào)，然后進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，再通過(guò)一系列處理生成目標(biāo)模型，具體過(guò)程如下。

(1) 掃描儀的兩組相機(jī)可以分別獲得投影到被掃描對(duì)象上的激光，該激光隨對(duì)象形狀變化發(fā)生變形，由于這兩組相機(jī)事先經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確標(biāo)定，故可以通過(guò)計(jì)算獲得激光所投影的線狀三維信息。

(2) 掃描儀根據(jù)固定在被測(cè)物體表面的視覺(jué)標(biāo)記點(diǎn)來(lái)確定掃描儀在掃描過(guò)程中的空間位置，這些空間位置被用于空間位置轉(zhuǎn)換。

(3) 利用第一步獲得的線狀三維信息和第二步所確定的掃描儀空間相對(duì)位置，移動(dòng)掃描儀，不斷獲取激光所經(jīng)過(guò)位置的三維信息，從而形成連續(xù)的三維數(shù)據(jù)。

掃描儀每米的掃描精度最高可達(dá)0.02 mm，掃描速率可到1 350 000次·s-1，最大掃描面幅為1440 mm×860 mm(長(zhǎng)×寬)，景深為925 mm，工作溫度為-10～40 ℃。攝像頭分辨率是掃描儀精度的主要影響因素，另外軟件算法、硬件穩(wěn)定性和操作環(huán)境(人員水平、溫度、震動(dòng)等)也會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響。

2 含裂紋試樣及其裂紋特征表征

2.1 典型裂紋特征試樣

鉚釘/螺栓連接是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)的連接形式，由于孔邊應(yīng)力集中，鉚釘/螺栓孔邊是最容易出現(xiàn)疲勞裂紋的部位，也是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)部位。因此，選用板材中心孔邊裂紋試樣作為激光三維掃描識(shí)別對(duì)象。

按照目視可檢程度由容易到困難，制備4種典型中心孔邊裂紋特征試樣，1#試樣裂紋為人工裂紋，2#試樣裂紋為易于目視可見(jiàn)裂紋，3#試樣裂紋為目視可見(jiàn)裂紋，4#試樣裂紋為目視勉強(qiáng)可見(jiàn)裂紋。4種典型中心孔邊裂紋試樣照片如圖1所示，裂紋特征由方框圈出。

圖1 4種典型中心孔邊裂紋特征試樣照片

2.2 典型裂紋特征表征

裂紋目視可檢難易程度與裂紋尺寸、光照條件和可接近條件等有關(guān)[12]。三維激光掃描是通過(guò)激光對(duì)物體進(jìn)行精確測(cè)量，不受光照條件影響，且4種試樣均為板件，無(wú)遮擋，可視為條件一致。因此，筆者開(kāi)展基于激光三維掃描技術(shù)的表面裂紋特征識(shí)別，提取裂紋長(zhǎng)度、裂紋寬度和裂紋兩側(cè)高度差作為重構(gòu)參數(shù)來(lái)表征裂紋可視化識(shí)別特征。

裂紋長(zhǎng)度是指從裂紋萌生點(diǎn)到裂紋尖端的距離。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量裂紋長(zhǎng)度，精度為0.01 mm。裂紋寬度是指裂紋局部張開(kāi)的尺寸。在裂紋閉合情況下，基于可視化表征，以裂紋顏色明顯變化界限之間的距離作為裂紋寬度。裂紋寬度的光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果如圖2所示。裂紋顏色改變主要是由于裂紋發(fā)生塑性變形，而塑性變形尺寸受裂紋尖端塑性區(qū)尺寸影響。自然裂紋的裂紋長(zhǎng)度增加，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子增大，塑性區(qū)尺寸增大，裂紋寬度增大。

圖2 裂紋寬度的光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果

因?yàn)?#試樣裂紋長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以，測(cè)量了2#試樣靠近中心孔和靠近試樣邊緣兩個(gè)位置的裂紋寬度。裂紋作為分界線將試樣局部表面分為兩部分，試樣承載形式和裂紋擴(kuò)展過(guò)程中能量釋放會(huì)造成裂紋發(fā)生錯(cuò)位，使裂紋兩側(cè)產(chǎn)生高度差。2#試樣在裂紋長(zhǎng)度方向上不同位置處的裂紋兩側(cè)高度差明顯不同，因此，使用光學(xué)顯微鏡對(duì)2#試樣測(cè)量了靠近中心孔和靠近試樣邊緣兩個(gè)位置的裂紋兩側(cè)高度差進(jìn)行測(cè)量。其結(jié)果如圖3所示。在由光學(xué)顯微鏡生成的景深圖上，在裂紋兩側(cè)分別選擇5個(gè)均勻?qū)ΨQ分布的測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量垂直于裂紋表面方向的高度值，對(duì)兩側(cè)高度值取平均值，再對(duì)平均值作差，即為裂紋兩側(cè)高度差。光學(xué)顯微鏡采用光柵刻度尺校準(zhǔn)測(cè)量，裂紋寬度和裂紋兩側(cè)高度差的測(cè)量精度為0.001 mm。

圖3 裂紋兩側(cè)高度差的光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果

裂紋長(zhǎng)度和裂紋寬度代表結(jié)構(gòu)表面平面內(nèi)兩個(gè)垂直方向的裂紋特征重構(gòu)參數(shù)，裂紋兩側(cè)高度差代表垂直于裂紋表面方向的裂紋特征重構(gòu)參數(shù)，三個(gè)重構(gòu)參數(shù)共同組成了裂紋特征在結(jié)構(gòu)表面三維方向的特征尺寸。

4種典型中心孔邊裂紋特征試樣的裂紋長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果如圖4所示。4種典型中心孔邊裂紋特征試樣的裂紋寬度和裂紋兩側(cè)高度差測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

圖4 1#4#試樣裂紋長(zhǎng)度測(cè)量結(jié)果

圖5 1#4#試樣裂紋寬度和裂紋兩側(cè)高度差測(cè)量結(jié)果

4種裂紋特征的裂紋寬度隨著目視可檢困難程度增加而減小，寬度為0.198 mm的人工裂紋(1#試樣)容易目視識(shí)別。自然裂紋的裂紋兩側(cè)高度差隨著目視可檢困難程度增加而減小，易于目視可見(jiàn)裂紋(2#試樣)在靠近邊緣位置的裂紋兩側(cè)高度差為0.244 mm，容易目視識(shí)別。目視勉強(qiáng)可見(jiàn)裂紋(4#試樣)的裂紋寬度和裂紋兩側(cè)高度差最小，分別為0.011 mm和0.005 mm，并且裂紋長(zhǎng)度也最小，為3.56 mm，目視可檢難度最大。裂紋長(zhǎng)度、裂紋寬度和裂紋兩側(cè)高度差這三個(gè)重構(gòu)參數(shù)尺寸與裂紋目視可檢難易程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系證明了選用參數(shù)的合理性。

3 基于激光三維掃描的裂紋特征識(shí)別

由于含裂紋試樣掃描范圍為50 mm×50 mm(長(zhǎng)×寬)，選用手持式激光三維掃描儀即能滿足掃描面幅和掃描效率的要求。首先利用標(biāo)定板對(duì)手持式激光三維掃描儀進(jìn)行標(biāo)定；然后，在試樣上黏貼標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)不規(guī)則分布；最后采用7束平行藍(lán)色激光以精細(xì)掃描模式對(duì)4個(gè)試樣的裂紋特征進(jìn)行激光三維掃描建模，每件試樣的激光三維掃描和建模時(shí)間約為10 min。

1#試樣人工裂紋特征激光三維掃描模型如圖6所示，人工裂紋的寬度比精度尺寸低一個(gè)量級(jí)，激光三維掃描能夠識(shí)別人工裂紋，但在鉚釘邊緣拼接處存在遺漏點(diǎn)云數(shù)據(jù)的情況。2#試樣易于目視可見(jiàn)裂紋特征激光三維掃描模型如圖7所示，易于目視可見(jiàn)裂紋的裂紋寬度與精度尺寸基本相當(dāng)，而裂紋兩側(cè)高度差特征尺寸是精度尺寸的好幾倍，激光三維掃描能夠識(shí)別易于目視裂紋。3#試樣目視可見(jiàn)裂紋特征激光三維掃描模型如圖8所示，目視可見(jiàn)的裂紋寬度、裂紋兩側(cè)高度差特征尺寸與精度尺寸相當(dāng)，激光三維掃描能夠識(shí)別目視可見(jiàn)裂紋形貌特征，并能根據(jù)裂紋形貌特征與劃痕區(qū)分開(kāi)來(lái)。4#試樣目視勉強(qiáng)可見(jiàn)裂紋特征激光三維掃描模型如圖9所示，目視勉強(qiáng)可見(jiàn)裂紋的寬度和裂紋兩側(cè)高度差兩個(gè)特征參數(shù)尺寸都小于精度尺寸，無(wú)法識(shí)別。

圖6 1#試樣人工裂紋特征激光三維掃描模型

圖7 2#試樣裂紋特征激光三維掃描模型

圖8 3#試樣裂紋特征激光三維掃描模型

圖9 4#試樣裂紋特征激光三維掃描模型

由此得出激光三維掃描技術(shù)對(duì)典型中心孔裂紋特征的識(shí)別能力排序(由易到難)為：人工裂紋≈易于目視裂紋>目視可見(jiàn)裂紋>目視勉強(qiáng)可見(jiàn)裂紋，與目視可檢難易程度排序一致。激光三維掃描識(shí)別技術(shù)對(duì)裂紋寬度和裂紋兩側(cè)高度差這兩個(gè)參數(shù)比較敏感，如果其中一個(gè)參數(shù)尺寸比掃描精度大幾倍，即使另一個(gè)參數(shù)尺寸與掃描精度相近，激光三維掃描也可精確識(shí)別裂紋特征并進(jìn)行建模。

為了驗(yàn)證激光三維掃描技術(shù)對(duì)裂紋特征的測(cè)量精度，在易于目視可見(jiàn)裂紋(2#試樣)激光三維掃描模型中，測(cè)量了靠近孔邊和靠近邊緣兩個(gè)位置的裂紋兩側(cè)高度差，并與光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，激光三維掃描模型測(cè)量結(jié)果與光學(xué)顯微鏡測(cè)量結(jié)果的誤差在15%以內(nèi)，進(jìn)一步證明了激光三維掃描模型能夠精確識(shí)別裂紋特征。測(cè)量結(jié)果存在一定偏差的主要原因是兩種方法的測(cè)量位置無(wú)法保證完全一致。

表1 2#試樣裂紋兩側(cè)高度差測(cè)量結(jié)果對(duì)比 mm

4 結(jié)論

(1) 采用激光三維掃描技術(shù)對(duì)4種不同目視可見(jiàn)難易程度裂紋進(jìn)行識(shí)別，證明裂紋長(zhǎng)度、裂紋寬度和裂紋兩側(cè)高度差可作為表征局部裂紋特征的重構(gòu)參數(shù)，定量表征目視可見(jiàn)程度。從裂紋細(xì)觀尺寸方面給出了目視勉強(qiáng)可見(jiàn)裂紋的識(shí)別條件，當(dāng)目視裂紋寬度和裂紋兩側(cè)高度差均大于0.02 mm時(shí)，目視可觀察到裂紋。

(2) 激光三維掃描技術(shù)可提取不小于精度尺寸的裂紋特征尺寸，能夠識(shí)別人工裂紋、易于目視可見(jiàn)裂紋和目視可見(jiàn)裂紋，具有高精度裂紋損傷識(shí)別和可視化檢測(cè)能力。

(3) 激光三維掃描技術(shù)可用于檢測(cè)飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展情況，能夠測(cè)量裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，還能夠識(shí)別裂紋形貌和裂紋走向，并對(duì)裂紋進(jìn)行精確定位。該方法為飛機(jī)結(jié)構(gòu)裂紋可視化表征提供了一種新的技術(shù)手段。