高速3D-DIC技術(shù)在航空輪胎動態(tài)試驗中的應(yīng)用

方新文，劉穎茜

(中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital Image Correlation，DIC)是一種基于機器視覺的非接觸測量方法[1]，通過跟蹤物體表面形變前后兩幅散斑圖像中同一像素點的位置來獲得該像素點的位移量，從而得到試件表面的全場位移。

2 概 述

三維全場應(yīng)變測量分析系統(tǒng)結(jié)合DIC與雙目立體視覺技術(shù)，通過追蹤物體表面的散斑圖像，實現(xiàn)對變形過程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的動態(tài)測量。該系統(tǒng)可用來分析輪胎動態(tài)模擬試驗中飛機輪胎受載旋轉(zhuǎn)時胎側(cè)的形變場和應(yīng)變場。

以某航空輪胎為例，進行三維全場應(yīng)變測量分析系統(tǒng)設(shè)計。輪胎試驗要求如下：(1)機輪直徑：1450mm；(2)最大線速度：500km/h；(3)采樣部位：輪胎胎側(cè)；(4)研究內(nèi)容：胎側(cè)的全場形變、應(yīng)變場；(5)形變測量精度：0.1mm；(6)應(yīng)變測量精度：200με。

3 測試方案設(shè)計

三維全場應(yīng)變測量分析系統(tǒng)由2臺高速攝像相機、1組定焦鏡頭、控制箱、圖形工作站、專用高亮光源、標(biāo)定板以及防護裝置等組成，實現(xiàn)相機對輪胎每轉(zhuǎn)一圈、每圈轉(zhuǎn)到同一位置時的觸發(fā)采樣拍攝。

3.1 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)主要指高速相機分辨率、幀率、曝光時間。

(1)分辨率。為了滿足0.1mm位移精度的高精度拍攝要求，進行相機要求參數(shù)分析計算。圖1所示為機輪與鼓輪位置關(guān)系示意圖。

圖1 機輪與鼓輪位置關(guān)系示意圖

取1500mm×1500mm拍攝幅面，則相機計算分辨率為：

由于15000pix過大，在靜態(tài)下系統(tǒng)可采用亞像素分析方法將測試精度提高10倍，選用分辨率為400萬(2336×1728)的高分辨率相機。則物理位移精度為：

結(jié)合現(xiàn)場試驗條件，采用亞像素分析計算方法，實際位移精度可達到0.1mm。

(2)曝光時間。已知機輪線速為140m/s，需要將相機曝光時間盡可能縮短來減少拖影產(chǎn)生的影響，DIC技術(shù)保證精度的前提是曝光時間內(nèi)位移量小于1pix(準(zhǔn)靜態(tài))。由以上分析，相機的曝光時間在5μs以內(nèi)即可。計算在5μs曝光時間內(nèi)機輪剛性位移為：5μs×140m/s=0.7mm=0.8pix<1pix，滿足條件。

(3)幀率。采用機輪旋轉(zhuǎn)一圈采集15張圖像的采樣方式，已知輪胎最大轉(zhuǎn)速為32r/s，則相機最低幀率為：15張×32r/s=480fps。

3.2 現(xiàn)場布局設(shè)計

三維全場應(yīng)變測量分析系統(tǒng)使用高速3D-DIC技術(shù)，由2臺400萬分辨率、滿幅幀率560fps的高速攝像相機，1組定焦鏡頭，控制箱，圖形工作站，專用高亮光源，標(biāo)定板以及防護裝置等組成。DIC分析軟件為GOM Correlate，具備應(yīng)變X、應(yīng)變Y和應(yīng)變XY，最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變的分析。系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)布局圖

系統(tǒng)采用遠程控制的方式，操作人員操作控制室里配置的筆記本，與安置在現(xiàn)場的圖形工作站之間通過以太網(wǎng)形成的局域網(wǎng)進行通信。依據(jù)實時采集物體各個變形階段的散斑圖像，利用圖形相關(guān)算法進行物體表面變形點的立體匹配，重建出匹配點的三維空間坐標(biāo)。對位移場數(shù)據(jù)進行平滑處理和應(yīng)變信息可視化分析，實現(xiàn)快速、高精度、實時、非接觸式的三維應(yīng)變測量。由于輪胎線速度較高，為避免拖影現(xiàn)象，選用最短曝光時間為1μs的相機，同時配備專用光源增加拍攝亮度。系統(tǒng)通信如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信示意圖

3.3 試驗流程設(shè)計

(1)在輪胎胎側(cè)制備散斑圖案，并進行散斑質(zhì)量評估。

(2)架設(shè)相機及光源，相機測量距離約2000mm，相機間距約820mm。在安全范圍內(nèi)，光源盡量距輪胎較近。

(3)采樣方式： 采集不同圈數(shù)下輪胎轉(zhuǎn)到同一位置的圖像，可以采用在輪胎上貼反光條的光電觸發(fā)方式或外部旋轉(zhuǎn)編碼器給角度信號進行觸發(fā)的方式(如圖4所示)。

(4)數(shù)據(jù)處理：獲取半胎位移場(總方向和xyz各方向)和全胎應(yīng)變場(最大/小主應(yīng)變、xy向應(yīng)變)。

圖4 表面制備

4 試驗結(jié)果

通過搭建的三維全場應(yīng)變測量分析系統(tǒng)，獲得的試驗結(jié)果如圖5所示。從某機輪動態(tài)試驗的輪胎全場應(yīng)變分析結(jié)果可以看出，輪胎在旋轉(zhuǎn)過程中周期性受載，其應(yīng)變曲線成規(guī)律性的波動，其單點的應(yīng)變與應(yīng)變片測量結(jié)果相比高度吻合。

圖5 輪胎拉格朗日應(yīng)變分析

5 結(jié) 論

本文利用高速3D-DIC技術(shù)，搭建了三維全場應(yīng)變測量分析系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的貼應(yīng)變片測量相比，該系統(tǒng)測量應(yīng)變的準(zhǔn)備工作較少，不需要人工粘貼大量的應(yīng)變片，只需噴涂散斑即可；分析范圍大，數(shù)據(jù)區(qū)域整體性強；以應(yīng)變片測量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果精度高，具備較高的可靠性，可適用于高速運動的物體。因此，該系統(tǒng)的設(shè)計有利于航空輪胎動態(tài)試驗分析。