基于數(shù)字散斑相關(guān)法的氣密環(huán)變形測試研究

陳前昆

(中船重工第七一三研究所，河南 鄭州 450015)

0 引 言

導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)出筒段在燃?xì)馔屏ψ饔孟卵匕l(fā)射筒軸向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)導(dǎo)彈與發(fā)射筒之間需要橫向支撐。氣密環(huán)-減震墊作為橫向支撐方式的一種，相對(duì)于傳統(tǒng)的適配器支撐而言，除具有適配器所具備的彈筒適配、減震、導(dǎo)向、支撐、分離等功能外，能夠在導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)不隨導(dǎo)彈出筒，可以徹底消除彈器分離對(duì)導(dǎo)彈齊射時(shí)造成的安全隱患，同時(shí)氣密環(huán)也具有保持發(fā)射過程中筒內(nèi)壓力穩(wěn)定的功能。穩(wěn)定和持續(xù)的筒內(nèi)壓力能夠保證導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)獲得有效的推力，因此，在對(duì)氣密環(huán)的設(shè)計(jì)和定型過程中，測量其在一定壓力下的變形情況，進(jìn)而確定其承壓性能，對(duì)保證導(dǎo)彈的正常發(fā)射具有重要的理論和實(shí)際意義。

氣密環(huán)變形通常是采用接觸式測量方法——拉線式位移傳感器測量，拉線式位移傳感器測取的是測點(diǎn)距傳感器長度的變化情況；而承壓能力試驗(yàn)過程，氣密環(huán)位移的變化主要體現(xiàn)在2個(gè)方向：軸向和徑向（圓周方向的位移可忽略不計(jì)），因此需要2個(gè)拉線式位移傳感器并聯(lián)，形成三角測量，由兩組數(shù)據(jù)確定一個(gè)測點(diǎn)的軸向和徑向位移。然而，這種測試方法在換算過程中誤差較大，且操作復(fù)雜，無法方便獲取多個(gè)測點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)。

數(shù)字散斑相關(guān)方法（digital speckle correlation method, DSCM）是一種非接觸式的光測力學(xué)變形測量方法，該方法在被測對(duì)象表面布置散斑圖像，通過跟蹤和匹配變形前后物體表面的2幅散斑圖像實(shí)現(xiàn)對(duì)被測對(duì)象在各種載荷作用下表面整體的瞬時(shí)位移場和應(yīng)變場的測量。該方法具有非接觸、高精度、光路簡單、受環(huán)境影響小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域一種非常重要的光測手段[1–2]。M. A. Sutton等[3–5]最早對(duì)三維散斑相關(guān)法進(jìn)行了應(yīng)用，測得了鋁緊湊拉伸試件表面的變形信息，隨后 Luo 等[6–7]應(yīng)用同樣的方法完成了平板和圓柱體材料表面的三維形貌重構(gòu)及在拉伸力作用下的三維變形測量。目前，國內(nèi)外已成功研制出應(yīng)用三維散斑相關(guān)法來測量變形場的產(chǎn)品，只是價(jià)格相對(duì)較高[8]，如德國GOM公司研發(fā)的ARAMIS變形測量系統(tǒng)，美國Correlated solutions公司研發(fā)生產(chǎn)的VIC-3D測量系統(tǒng)等。在國內(nèi)，西安交通大學(xué)[9–10]已經(jīng)研制出了能檢測復(fù)雜設(shè)備變形的數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量分析系統(tǒng)（XTDIC系統(tǒng)），并已投入使用；哈爾濱工業(yè)大學(xué)[11]對(duì)應(yīng)用三維散斑測量技術(shù)的變形測量技術(shù)開展了研究；此外，華南理工大學(xué)[12]基于雙目高速成像與三維數(shù)字散斑圖像相關(guān)的三維瞬態(tài)變形/全場振動(dòng)測量也取得一系列成果。本文以發(fā)射筒氣密環(huán)為研究對(duì)象，采用基于數(shù)字散斑相關(guān)法的XTDIC系統(tǒng)及拉線式位移傳感器對(duì)氣密環(huán)承壓性能開展測試研究，并將測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析。研究結(jié)果表明，選定氣密環(huán)的承壓性能能夠滿足導(dǎo)彈發(fā)射需要；XTDIC系統(tǒng)適用于氣密環(huán)承壓過程中的形變測試；相對(duì)于彈體靜止工況，彈體運(yùn)動(dòng)對(duì)氣密環(huán)變形影響較小；XTDIC系統(tǒng)獲取的全場連續(xù)變形曲線能夠?yàn)闅饷墉h(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 氣密環(huán)及試驗(yàn)裝置

氣密環(huán)為橡膠材質(zhì)，結(jié)構(gòu)由唇沿、繩箍和簾子布3部分構(gòu)成。其中，唇沿與彈體直接貼合，起到密閉保壓功能；繩箍位于最頂端，用于連接唇沿和簾子布；簾子布位于氣密環(huán)下沿，固定安裝在發(fā)射筒內(nèi)壁，如圖1所示。

導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)，筒內(nèi)氣壓迅速增加，氣密環(huán)簾子布會(huì)發(fā)生鼓脹形變，繩箍在簾子布帶動(dòng)下將產(chǎn)生位移。簾子布處橡膠比較薄，形變量大，而繩箍處質(zhì)地較硬，且此處變形能夠反映筒內(nèi)壓力泄漏情況，因此選擇繩箍處作為拉線式位移傳感器測量點(diǎn)，并在其對(duì)稱位置作為XTDIC系統(tǒng)的測量點(diǎn)。同時(shí)，為更好對(duì)比分析2種方式的測量結(jié)果，設(shè)計(jì)1套能夠模擬彈在筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)氣密環(huán)變形情況的試驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，筒口氣密環(huán)通過壓環(huán)固定于夾緊環(huán)內(nèi)側(cè)，夾緊環(huán)內(nèi)側(cè)壁和筒口氣密環(huán)之間、壓環(huán)與筒口氣密環(huán)之間均涂抹膠粘劑密封；同時(shí)為了模擬發(fā)射筒內(nèi)環(huán)境，產(chǎn)生密閉空間，將2套筒口氣密環(huán)試件以倒扣方式分別安裝固定于2件夾緊環(huán)上。此外，在懸掛支架上安裝有進(jìn)排氣孔及壓力傳感器，可用于向空腔內(nèi)充放氣及監(jiān)測氣體壓力。

2 測試方案設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈被垂直裝填進(jìn)入發(fā)射筒時(shí)，其中心線與發(fā)射筒中心線基本處于同軸狀態(tài)，本文針對(duì)二者同軸工況，利用2種測試方法，獲取導(dǎo)彈靜止與導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)2種狀態(tài)下氣密環(huán)的變形情況，從而考核氣密環(huán)的保壓性能。

2.1 位移傳感器測試

拉線式位移傳感器測點(diǎn)布置在繩箍最外沿處，為得到該測點(diǎn)變形情況，需安裝2個(gè)拉線式傳感器同時(shí)進(jìn)行測量。位移傳感器安裝示意圖如圖3所示。

2個(gè)拉線式位移傳感器并聯(lián)，形成三角測量，由2個(gè)傳感器的測量數(shù)據(jù)可以唯一確定測點(diǎn)在軸向、徑向的位移，其測量原理示意圖如圖4所示。

以筒口氣密環(huán)軸向方向?yàn)閅軸（向上為正方向），徑向方向?yàn)閆軸（向外擴(kuò)張為正方向），圓周切線方向?yàn)閄軸（變形小，可忽略），則筒口氣密環(huán)位移測點(diǎn)的軸向、徑向位移計(jì)算模型為：

其中：

2.2 XTDIC系統(tǒng)測試

XTDIC系統(tǒng)采用2個(gè)高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集物體各個(gè)變形階段的散斑圖像，利用數(shù)字散斑相關(guān)算法進(jìn)行物體表面變形點(diǎn)的匹配，重建出匹配點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，然后進(jìn)行位移場數(shù)據(jù)的計(jì)算處理和變形信息的可視化分析，從而實(shí)現(xiàn)快速、高精度、實(shí)時(shí)、非接觸式的三維應(yīng)變測量。XTDIC系統(tǒng)主要包含2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：數(shù)字散斑相關(guān)方法和立體視覺技術(shù)[13–14]，其工作流程如圖5所示。

2.2.1 數(shù)字散斑相關(guān)法

數(shù)字散斑相關(guān)方法（DSCM）是一種對(duì)全場位移和應(yīng)變進(jìn)行量化分析的光測實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法。該方法的基本思想就是在變形前的圖像中選取一個(gè)子區(qū)（一般為矩形），利用子區(qū)中的散斑灰度信息，在變形后的圖像中尋找其所對(duì)應(yīng)的位置，從而獲得子區(qū)位置和形狀的變化，由此可得物體在這一點(diǎn)上的位移和應(yīng)變值。

數(shù)字散斑相關(guān)方法原理為：1）利用攝像機(jī)獲取物體表面變形前后的數(shù)字散斑圖像；2）將物體表面變形前的散斑圖像連續(xù)分割成很多小的尺寸相同的子區(qū)域作為相關(guān)區(qū)域，相關(guān)區(qū)域大小一般從15×15像素到30×30像素，相關(guān)區(qū)域的中心點(diǎn)作為待測點(diǎn)，比如記為點(diǎn)P；3）將分割的相關(guān)區(qū)域與物體表面變形后的散斑圖像進(jìn)行匹配，以獲取對(duì)應(yīng)的圖像子區(qū)和子區(qū)中心點(diǎn)的圖像坐標(biāo)（即待測點(diǎn)在變形后物體表面散斑圖像上的圖像坐標(biāo)），這樣就可以計(jì)算被測點(diǎn)P的位移，經(jīng)進(jìn)一步數(shù)值差分計(jì)算可以獲取應(yīng)變信息。但是，該方法只能用于測量二維平面物體表面的變形，為適應(yīng)三維變形測量，需引入立體視覺測量技術(shù)。

2.2.2 雙目立體視覺技術(shù)

雙目立體視覺技術(shù)是利用2臺(tái)攝像機(jī)來模仿實(shí)現(xiàn)人眼的功能，通過雙目對(duì)立體圖像的處理，獲取場景的三維信息?；驹硎抢脙膳_(tái)像機(jī)同時(shí)記錄下三維空間內(nèi)同一場景的圖像，然后尋找這2幅二維圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，由2臺(tái)攝像機(jī)間的相對(duì)位置關(guān)系，就可確定兩攝像機(jī)公共視場內(nèi)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如圖6所示，N1，N2分別為空間一點(diǎn)N在兩攝像機(jī)像平面上的成像，由兩攝像機(jī)之間的相對(duì)位置關(guān)系，可建立一個(gè)基于攝像機(jī)模型的空間世界坐標(biāo)系和2臺(tái)攝像機(jī)坐標(biāo)系，由此就可以根據(jù)點(diǎn)N1，N2確定N點(diǎn)在世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)。

雙目立體視覺技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可分為圖像獲取、像機(jī)標(biāo)定、立體匹配、三維重建等步驟。其中，標(biāo)定和匹配是立體視覺測量2個(gè)關(guān)鍵性的步驟。標(biāo)定就是求解攝像機(jī)的內(nèi)外參數(shù)的過程，而匹配就是在2個(gè)攝像機(jī)采集的圖像中尋找對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

2.2.3 XTDIC系統(tǒng)布置與安裝

由于位移傳感器安裝位置視線受阻，可將XTDIC系統(tǒng)測試區(qū)域布置在與傳感器測點(diǎn)對(duì)稱的位置，便于試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。XTDIC測量部位以筒口氣密環(huán)橫截面外側(cè)邊為中心軸，兩邊寬度不低于20 mm的矩形區(qū)域，軸向上應(yīng)同時(shí)包含繩箍與簾子布區(qū)域。在測試部位用啞光白、啞光黑自噴漆制造隨機(jī)散斑，如圖7所示。

3 測試結(jié)果對(duì)比與分析

采用拉線式位移傳感器及XTDIC系統(tǒng)2種測試方法對(duì)氣密環(huán)變形開展測試試驗(yàn)，同時(shí)，為全面驗(yàn)證氣密環(huán)保壓性能，設(shè)計(jì)了彈在靜止及運(yùn)動(dòng)2種工況，具體測試流程為：1）啟動(dòng)充氣設(shè)備，向試驗(yàn)裝置中的懸掛支架和彈體之間的空腔內(nèi)充氣；2）當(dāng)充氣壓力達(dá)到某要求值時(shí)停止充氣；3）在導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)工況試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)底部推拉裝置電動(dòng)缸，以某一特定速度推動(dòng)模型彈，模擬彈體運(yùn)動(dòng)；4）打開排氣閥門，使懸掛支架和彈體之間的空腔內(nèi)的壓力逐步回零；5）通過壓力傳感器監(jiān)測并記錄空腔內(nèi)的壓力隨時(shí)間關(guān)系曲線，通過拉線式位移傳感器監(jiān)測并記錄拉繩長度隨時(shí)間關(guān)系曲線；通過XTDIC系統(tǒng)記錄筒口氣密環(huán)觀測部位試驗(yàn)全程的形變情況；6）待壓力歸零后，檢查筒口氣密環(huán)狀態(tài)；7）重復(fù)以上步驟2次，每次時(shí)間間隔不低于15 min。

同時(shí)，在XTDIC系統(tǒng)測試結(jié)果中，重點(diǎn)選取3個(gè)測點(diǎn)的測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析。其中，測點(diǎn)1位于繩箍處（與位移傳感器測點(diǎn)對(duì)稱的位置），便于對(duì)比2種測試方式的測量結(jié)果；測點(diǎn)2位于簾子布總變形最大處，測點(diǎn)3位于測點(diǎn)1和2的中間部位，用于分析簾子布的變形情況。

3.1 導(dǎo)彈靜止工況測試結(jié)果對(duì)比與分析

導(dǎo)彈靜止工況測試結(jié)果如圖8～圖10所示。

通過對(duì)導(dǎo)彈靜止工況下氣密環(huán)承壓性能試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可得到以下結(jié)論：1）從壓力數(shù)據(jù)可以看出，氣密環(huán)承壓性能滿足最大壓力不小于某一壓力值時(shí)，保壓時(shí)間不少于某一時(shí)間的硬性要求，且通過觀察發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過程中未發(fā)生翻邊等現(xiàn)象，試件外觀良好。2）由2種測試方法結(jié)果對(duì)比情況可以看出，二者位移變化趨勢與規(guī)律基本一致，但數(shù)值有一定差異，其中XTDIC軸向位移結(jié)果比拉線傳感器大，而徑向位移結(jié)果比拉線傳感器小?？紤]到雙拉線式位移傳感器的位移計(jì)算方法本身存在一定的不確定度，且結(jié)果受拉線初始長度測量誤差影響較大（初始長度測量較為困難），因此拉線法測量存在一定誤差在預(yù)期之內(nèi)，誤差約1 mm左右。3）XTDIC試驗(yàn)首次獲取了簾子布上測點(diǎn)的位移數(shù)據(jù)，簾子布上受壓力鼓脹導(dǎo)致測點(diǎn)產(chǎn)生較大的徑向位移，但軸向位移較小，測點(diǎn)2和測點(diǎn)3軸向運(yùn)動(dòng)均不足2 mm。

3.2 導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)工況測試結(jié)果對(duì)比與分析

導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)工況測試結(jié)果如圖11～圖13所示。

由導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)工況下氣密環(huán)承壓性能試驗(yàn)的結(jié)果，可得到以下結(jié)論：1）從壓力數(shù)據(jù)可以看出，導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)工況下，氣密環(huán)承壓性能滿足硬性要求，試驗(yàn)過程中未發(fā)生翻邊等現(xiàn)象，試件外觀良好；2）由2種測試方法結(jié)果對(duì)比情況可以看出，二者位移變化趨勢與規(guī)律基本一致，但數(shù)值有一定差異。XTDIC軸向位移結(jié)果比拉線傳感器大，徑向位移結(jié)果比拉線傳感器小，與導(dǎo)彈靜止工況試驗(yàn)結(jié)果類似，二者差異主要是由于拉線位移傳感器測量方法本身的不確定度帶來的；3）簾子布受壓力鼓脹導(dǎo)致測點(diǎn)產(chǎn)生較大的徑向位移，但徑向變形量相比導(dǎo)彈靜止?fàn)顟B(tài)略有減小，軸向位移相當(dāng)。彈體運(yùn)動(dòng)未對(duì)筒口氣密環(huán)承壓過程的狀態(tài)變化產(chǎn)生明顯的影響。

4 結(jié) 語

本文針對(duì)發(fā)射裝置筒口氣密環(huán)承壓性能測試需求，搭建了能夠模擬導(dǎo)彈發(fā)射過程的試驗(yàn)裝置，并分別利用傳統(tǒng)測試方式——拉線位移傳感器及基于數(shù)字散斑相關(guān)法的XTDIC系統(tǒng)2種方法，對(duì)氣密環(huán)在模擬導(dǎo)彈靜止和運(yùn)動(dòng)2種工況下的變形情況開展測試試驗(yàn)，綜合以上測試結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

1）對(duì)比2種方法下的測試結(jié)果，可以看出二者測得的氣密環(huán)繩箍處的位移變化趨勢與規(guī)律一致，但在數(shù)值上，基于數(shù)字散斑相關(guān)法的XTDIC系統(tǒng)測得的軸向位移結(jié)果比拉線傳感器大，徑向位移結(jié)果比拉線傳感器小。從2種測試方法的測試原理分析，測試結(jié)果的差異主要是由于拉線位移傳感器測量方法本身的不確定度帶來的，基于數(shù)字散斑相關(guān)法的XTDIC系統(tǒng)適用于氣密環(huán)承壓過程中的形變測試。

2）對(duì)比2種工況下的測試結(jié)果，可以看出導(dǎo)彈在靜止和運(yùn)動(dòng)2種工況下，氣密環(huán)形變量并沒有較大變化，彈體運(yùn)動(dòng)對(duì)氣密環(huán)變形影響不大。

3）基于數(shù)字散斑相關(guān)法的XTDIC系統(tǒng)獲得了簾子布上各點(diǎn)的承壓位移曲線，可為后續(xù)筒口氣密環(huán)工作原理的深入分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作提供數(shù)據(jù)支撐。