箭體殼段結(jié)構(gòu)數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法研究

王 群 李雄魁 路志峰 黎漢華 周江帆

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076； 2.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

1 引 言

殼段結(jié)構(gòu)是火箭系統(tǒng)中連接發(fā)動(dòng)機(jī)、提供儀器安裝的重要組成部分，需要承受飛行過程中較大的載荷。新設(shè)計(jì)的火箭殼段結(jié)構(gòu)一般都要進(jìn)行靜力試驗(yàn)，以校核結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等狀態(tài)。目前殼段結(jié)構(gòu)的靜力試驗(yàn)主要以電測(cè)法的形式獲取相關(guān)參數(shù)。電測(cè)法是借助電阻傳感器來獲得被測(cè)物體表面的應(yīng)力或應(yīng)變值，該方法是一種接觸式測(cè)量，被測(cè)量試件有一定的剛度要求，只能針對(duì)貼片位置進(jìn)行點(diǎn)測(cè)量，在具體應(yīng)用上存在較大的局限性，如測(cè)量范圍有限，復(fù)雜位置或因空間限制而無法測(cè)量，受環(huán)境溫度及應(yīng)變片靈敏度影響需要考慮溫度補(bǔ)償，此外還存在導(dǎo)線多、工序復(fù)雜、效率低等一系列問題。尤其對(duì)于越來越精細(xì)化的殼段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，往往期望獲得覆蓋面較廣的測(cè)量數(shù)據(jù)，減少測(cè)量誤差，而這種電阻應(yīng)變測(cè)量的方法越來越無法滿足箭體結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)的使用要求，因此需要引入一種新型的殼段應(yīng)力-應(yīng)變測(cè)量方法，即基于數(shù)字散斑相關(guān)的光學(xué)測(cè)量方法，以滿足結(jié)構(gòu)精細(xì)化分析與設(shè)計(jì)要求。

2 基于數(shù)字散斑相關(guān)的光學(xué)測(cè)量方法簡(jiǎn)介

數(shù)字散斑相關(guān)方法(Digital speckle correlation method，DSCM)是在 20 世紀(jì) 80 年代被提出的光力學(xué)測(cè)量技術(shù)，通過對(duì)變形前后結(jié)構(gòu)表面的兩幅散斑圖進(jìn)行相關(guān)處理來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形場(chǎng)的測(cè)量[1]，具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、高測(cè)量靈敏度、物體表面局部精細(xì)化、高精度的特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)測(cè)量方法在結(jié)構(gòu)件變形較大、材質(zhì)較軟、間隙測(cè)量、結(jié)構(gòu)件尺寸小、應(yīng)力集中等方面的不足[2,3]。

光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)具備以下測(cè)量能力：

1)實(shí)現(xiàn)物體表面全場(chǎng)、非接觸、大變形測(cè)量；

2)實(shí)現(xiàn)物體表面局部精細(xì)化、高精度的測(cè)量；

3)實(shí)現(xiàn)大結(jié)構(gòu)件空間點(diǎn)三維坐標(biāo)測(cè)量。

近年來，隨著 DSCM 理論體系的不斷發(fā)展，該方法以其良好的環(huán)境適應(yīng)性，已經(jīng)成為現(xiàn)代光學(xué)非接觸測(cè)量的重要方法，在力學(xué)、材料性能領(lǐng)域的位移和應(yīng)變測(cè)量已經(jīng)獲得了很大的成功，其應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷地拓展。

3 數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)量基本原理

數(shù)字散斑相關(guān)測(cè)量方法主要通過圖像采集(CCD攝像機(jī))、圖像數(shù)字化，記錄物體在不同變形時(shí)刻或者不同變形狀態(tài)的兩幅散斑圖，通過模擬-數(shù)字的轉(zhuǎn)換得到數(shù)字灰度場(chǎng)，然后通過相關(guān)計(jì)算，得到相關(guān)系數(shù)極值點(diǎn)，即根據(jù)物體變形前后散斑場(chǎng)的互相關(guān)性來獲取物體的位移和變形的信息。

數(shù)字圖像相關(guān)方法是在變形前的散斑圖中，取以待求點(diǎn)(x，y)為中心的(2M+1)×(2M+1)的矩形圖像子區(qū)，在變形后的目標(biāo)散斑圖像中通過一定的搜索方法，并通過某一相關(guān)函數(shù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，尋找與變形前所取矩形子區(qū)相關(guān)系數(shù)為最大值的以點(diǎn)(x*，y*)為中心的(2M+1)×(2M+1)目標(biāo)矩形區(qū)域，從而確定參考散斑圖像子區(qū)的整像素位移。

從數(shù)學(xué)上建立衡量圖像相似程度的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可選用樣本子區(qū)中與目標(biāo)子區(qū)的互相關(guān)系數(shù)，一般可定義互相關(guān)系數(shù)為[4]

(1)

式中：X——待求的12個(gè)自變量，自變量μ，ν是所選樣本子區(qū)中心點(diǎn)的位移，其余自變量為位移的一階和二階導(dǎo)數(shù);f(x，y)——樣本子區(qū)中某一點(diǎn)(x，y)的灰度;g(x*，y*)——目標(biāo)子區(qū)與(x，y)對(duì)應(yīng)的那一點(diǎn)(x*，y*)的灰度，樣本子區(qū)和目標(biāo)子區(qū)中各點(diǎn)的聯(lián)系由下式表示

(2)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)箭體殼段結(jié)構(gòu)的地面靜力試驗(yàn)，引入數(shù)字散斑光學(xué)測(cè)量方法，對(duì)局部較復(fù)雜區(qū)域應(yīng)變、位移等情況的監(jiān)測(cè)，以期解決因空間限制無法粘貼應(yīng)變片，受環(huán)境溫度及應(yīng)變片靈敏度影響測(cè)量結(jié)果，無法獲取全場(chǎng)應(yīng)變等難題，試驗(yàn)裝置示意圖如圖 1所示。

測(cè)量位置位于兩個(gè)艙段連接面。由于被測(cè)結(jié)構(gòu)區(qū)域?yàn)殡p錐形曲面，坐標(biāo)系選擇上殼段對(duì)接面中間點(diǎn)切面為XOY平面，X軸方向水平向右，Y軸方向豎直向上，Z軸由右手定則確定。整個(gè)測(cè)量歷程為零載荷到使用載荷過程。

使用載荷下Y向位移數(shù)據(jù)如圖 2所示，其中云圖區(qū)域?yàn)闇y(cè)量區(qū)域。

由圖2可知，殼段組合體被測(cè)兩個(gè)區(qū)域的Y向變形并不一致，體現(xiàn)為云圖出現(xiàn)色階跳躍現(xiàn)象，其所測(cè)最大位移量為9.63mm。分析對(duì)接面兩點(diǎn)的位移歷程曲線可得兩殼段對(duì)接面間隙增長(zhǎng)情況，即兩點(diǎn)的位移差為9.45-3.8=5.65mm。

從圖 3來看，上殼體測(cè)試區(qū)變形較為均勻，且應(yīng)變較小，均不超過1 000微應(yīng)變。下殼體區(qū)域由于結(jié)構(gòu)為裝配體，應(yīng)變分布較為復(fù)雜。其中Y向應(yīng)變分布集中在測(cè)試區(qū)域下部，應(yīng)變不超過1 800微應(yīng)變，X向應(yīng)變主要集中在誘餌艙上端框區(qū)域，最大應(yīng)變不超過4900微應(yīng)變。

從光學(xué)測(cè)量的位移和應(yīng)變分析結(jié)果看，光測(cè)數(shù)據(jù)和常規(guī)靜力試驗(yàn)應(yīng)變片測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性較好。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)傳統(tǒng)的箭體殼段結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量方法，提出了基于數(shù)字散斑技術(shù)的光學(xué)測(cè)量方法，該方法與傳統(tǒng)測(cè)試方法相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(1)光學(xué)測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)了非接觸測(cè)量，不再局限于結(jié)構(gòu)形式和空間，能夠獲取復(fù)雜表面的全應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)，并且簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)測(cè)量方法繁瑣的工序，縮短了測(cè)量時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率。

(2)傳統(tǒng)的電測(cè)法受設(shè)備限制最多能夠允許500個(gè)測(cè)量通道，對(duì)于大型復(fù)雜殼段結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的覆蓋性較差，而光學(xué)測(cè)量方法數(shù)據(jù)更加精細(xì)化和全面化，覆蓋了整個(gè)掃描到的面場(chǎng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和有限元計(jì)算結(jié)果能夠相互驗(yàn)證，從而進(jìn)一步修正有限元計(jì)算結(jié)果，為有限元計(jì)算提供數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)備。

[1] 王懷文，亢一瀾，謝和平．?dāng)?shù)字散斑相關(guān)方法與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]．力學(xué)進(jìn)展，2005，35(2):195～203．

[2] 李明，張玨，溫茂萍等．?dāng)?shù)字散斑相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用[J]．信息與電子工程，2005．3(1)：36～39．

[3] 郭海鴻，李曉星．非接觸應(yīng)變測(cè)量的數(shù)字散斑相關(guān)方法的研究[J]．現(xiàn)代制造工程，2007， 11：96～98．

[4] Devore J L, Farnum N R．Applied Statistics for Engineers and Scientists． Pacific Grove， Calif.：Duxbury Press ，1999．