飛行器靜力試驗(yàn)表面變形的非接觸式測(cè)量方法

馬璐軍

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100074）

引言

在飛行器結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)中，大多采用位移計(jì)、應(yīng)變片等電測(cè)方法進(jìn)行測(cè)量。但在試驗(yàn)過程中，經(jīng)常遇到電測(cè)方法不適用的場(chǎng)景，如：設(shè)計(jì)人員關(guān)心的位移測(cè)點(diǎn)兩兩相鄰很近，布置位移計(jì)時(shí)出現(xiàn)相互干涉；關(guān)心的位移或應(yīng)變測(cè)點(diǎn)在扳手槽內(nèi)部或周邊，局促的空間下不利于布置傳感器；大型結(jié)構(gòu)件受載發(fā)生較大變形，電測(cè)法受量程限制無法測(cè)量；對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行破壞試驗(yàn)，為保護(hù)傳感器需在中途拆除位移計(jì)等。在這些使用場(chǎng)景下，由于傳統(tǒng)電測(cè)方法的局限性，設(shè)計(jì)人員不得不采取備選方案，因而往往得不到真正關(guān)心位置的變形信息。本文提出一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的非接觸式變形測(cè)量方法，具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、調(diào)試簡(jiǎn)單、對(duì)周圍環(huán)境要求低等優(yōu)勢(shì)，將大大擴(kuò)展結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)時(shí)可獲取的信息量，為飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 非接觸式測(cè)量方法

數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）方法是上世紀(jì)80年代初期提出的一種基于數(shù)字圖像處理的非接觸式變形測(cè)量方法。試驗(yàn)前在試驗(yàn)件表面通過噴漆等方式制作黑白相間的隨機(jī)散斑，在加載前和加載過程中（通常是每級(jí)保載過程中）分別通過工業(yè)鏡頭和相機(jī)拍攝試驗(yàn)件表面圖像，試驗(yàn)后通過對(duì)參考圖像和變形后圖像進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算，即可得到選定區(qū)域內(nèi)的位移、應(yīng)變等信息。在過去三十多年中，該方法逐漸發(fā)展成當(dāng)前實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域最受關(guān)注、應(yīng)用最廣泛和最重要的光測(cè)力學(xué)方法。按照適用測(cè)量范圍來分，數(shù)字圖像相關(guān)方法可分為僅適用于平面物體表面面內(nèi)變形測(cè)量的二維數(shù)字圖像相關(guān)方法（2D-DIC）和適用于平面或曲面物體表面形貌和三維變形測(cè)量的三維數(shù)字圖像相關(guān)方法（stereo-DIC）。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，飛行器結(jié)構(gòu)表面往往具有較大的曲率，且在復(fù)雜加載工況下變形復(fù)雜，因此適合于采用stereo-DIC方法進(jìn)行測(cè)量。該方法基于立體視覺原理，可對(duì)平面或曲面物體的表面進(jìn)行形貌重建或三維變形測(cè)量，它的測(cè)量范圍更加廣泛，在工程上的應(yīng)用前景也更為廣闊。而stereo-DIC方法的主要局限在于它需要精確標(biāo)定雙目立體視覺攝像系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)處理的過程中比2D-DIC方法要更復(fù)雜、計(jì)算量更大。

Stereo-DIC方法的計(jì)算原理如圖1所示[1]，在計(jì)算前需要在左相機(jī)的參考圖像中選擇要進(jìn)行計(jì)算的正方形圖像子區(qū)，然后根據(jù)基于圖像灰度的相關(guān)算法在右相機(jī)參考圖像中找到該子區(qū)中心的對(duì)應(yīng)位置，根據(jù)事先標(biāo)定得到的相機(jī)內(nèi)外部參數(shù)可以得到該圖像子區(qū)中心點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X0，Y0，Z0）。同理，在左、右相機(jī)拍攝到的變形后圖像中也能準(zhǔn)確追蹤到該子區(qū)中心的相應(yīng)位置，即可得到該點(diǎn)變形后的三維坐標(biāo)（X1，Y1，Z1）。顯然，該點(diǎn)變形前后的空間三維坐標(biāo)之差就是該點(diǎn)的三維位移（U，V，W）。

2 測(cè)量準(zhǔn)確性驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)某飛行器靜力試驗(yàn)件進(jìn)行前半段剛度試驗(yàn)，使用美國(guó)MTS多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行加載。接觸式測(cè)量方面，使用美國(guó)meas-spec公司的頂桿式位移計(jì)和美國(guó)VTI Instruments公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量位移，使用中國(guó)中航工業(yè)電測(cè)儀器股份有限公司的電阻應(yīng)變計(jì)和美國(guó)VTI Instruments公司的應(yīng)變測(cè)試儀器測(cè)量應(yīng)變；非接觸式測(cè)量方面，使用美國(guó)灰點(diǎn)（Grey Point）公司的相機(jī)（GS2-GE-20S4M-C，像素大小44μm，最大分辨率1 624×1 224 pixels，最大采樣率29 FPS），德國(guó)施耐德（Schneider）公司的工業(yè)鏡頭（Xenoplan 1.4/17，光圈系數(shù)1.4，焦距17.6 mm，工作距離不大于42 mm），使用美國(guó)CSI公司的商用軟件Vic-3D進(jìn)行分析計(jì)算。

圖1 stereo-DIC方法測(cè)量的基本原理

2.2 試驗(yàn)方案

對(duì)靜力試驗(yàn)件進(jìn)行剛度試驗(yàn)，前半段剛度試驗(yàn)中，將試驗(yàn)件中部和后端共2處進(jìn)行固支，共4個(gè)點(diǎn)同時(shí)對(duì)試驗(yàn)件加載，其中載荷P通過杠桿分級(jí)分解到兩側(cè)舵面上共6個(gè)加載點(diǎn)上，具體加載方式由圖2所示。

由圖2可知，4個(gè)加載點(diǎn)均為上下方向加載，理論上試驗(yàn)件左右兩側(cè)變形對(duì)稱。試驗(yàn)過程中對(duì)兩側(cè)舵面同時(shí)加載，并布置位移測(cè)點(diǎn)，兩側(cè)舵面相同位置位移相差不大于0.1 mm，因此認(rèn)為試驗(yàn)件兩側(cè)變形對(duì)稱。在試驗(yàn)件兩側(cè)相同位置分別使用DIC法和接觸式測(cè)量方法（位移傳感器和應(yīng)變片）同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方案見圖3。

2.3 試驗(yàn)過程和計(jì)算結(jié)果

試驗(yàn)前在試驗(yàn)件右側(cè)布置位移測(cè)點(diǎn)和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，對(duì)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行定位和標(biāo)記，同時(shí)在試驗(yàn)件左側(cè)相同位置標(biāo)記位移和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，選取能夠覆蓋兩測(cè)點(diǎn)的適當(dāng)大小區(qū)域，噴制黑、白相間的隨機(jī)散斑圖案，將一對(duì)CCD相機(jī)和鏡頭通過三腳架固定在試驗(yàn)件一側(cè)，試驗(yàn)前提前開啟CCD相機(jī)預(yù)熱2 h，以消除相機(jī)發(fā)熱導(dǎo)致內(nèi)部器件變形帶來的測(cè)量誤差[2]。調(diào)節(jié)相機(jī)鏡頭的位置和焦距（鏡頭位置），使被測(cè)量區(qū)域在計(jì)算機(jī)中顯示出清晰的圖像。在布置并調(diào)節(jié)好DIC測(cè)試系統(tǒng)后，使用4 mm 9×12規(guī)格的圓點(diǎn)標(biāo)定靶對(duì)stereo-DIC系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。隨后在加載前通過計(jì)算機(jī)采集一張初始圖像，加載過程中每級(jí)載荷保載時(shí)分別采集一張變形后圖像，同時(shí)采集位移傳感器和應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)采集到的參考圖像和變形后圖像進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算。通過Vic-3D軟件進(jìn)行計(jì)算，可以通過各級(jí)載荷下左、右兩個(gè)相機(jī)拍攝到的圖像重建試驗(yàn)件表面的三維形貌，如圖4所示。

圖2 靜力試驗(yàn)件加載方式

圖3 DIC法和接觸式測(cè)量法對(duì)比試驗(yàn)方案

圖4 通過立體視覺算法重建的試驗(yàn)件表面三維形貌

通過各級(jí)載荷下的三維形貌與初始狀態(tài)下的三維形貌進(jìn)行對(duì)比，容易計(jì)算出各級(jí)載荷下的面內(nèi)正交方向位移（U、V）和離面方向位移（W），通過計(jì)算位移的導(dǎo)數(shù)，可以求解出被測(cè)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變值（Exx、Exy、Eyy）。在試驗(yàn)件另一側(cè)使用位移傳感器和應(yīng)變片分別測(cè)量離面方向位移W和0 °、45 °、90 °三個(gè)方向的應(yīng)變值Exx、Exy、Eyy，因此使用DIC法計(jì)算W、Exx、Exy、Eyy四個(gè)數(shù)值。

各級(jí)載荷下DIC法和接觸式測(cè)量法測(cè)得的位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)見表1。

表1 DIC法和接觸式測(cè)量法數(shù)據(jù)對(duì)比

測(cè)量結(jié)果顯示，DIC法與位移傳感器測(cè)量的位移誤差為0.017 mm，DIC法與應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變誤差在豎直方向最大，誤差約70微應(yīng)變，誤差在可接受范圍內(nèi)。

3 試驗(yàn)分析與結(jié)論

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，DIC方法測(cè)量位移最大誤差為0.017 mm，測(cè)量結(jié)果相對(duì)可靠，應(yīng)變測(cè)量誤差約70微應(yīng)變，誤差的主要來源為計(jì)算應(yīng)變過程中，位移數(shù)據(jù)的離散性帶來的計(jì)算誤差。

結(jié)合飛行器結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)中的測(cè)量慣例，給出如下建議：

1）DIC方法位移測(cè)量誤差較小，在位移計(jì)布置空間受限、大變形情況和破壞試驗(yàn)時(shí)可以取代位移計(jì)；

2）應(yīng)變片一般在試驗(yàn)全過程中可以進(jìn)行不間斷測(cè)量，且隨著制作工藝提升，應(yīng)變片的尺寸規(guī)格也可以根據(jù)試驗(yàn)需要靈活選擇，因此建議仍然采用應(yīng)變片監(jiān)測(cè)位移；

3）通過調(diào)節(jié)鏡頭參數(shù)和制作散斑的顆粒大小，DIC方法可以覆蓋不同尺寸區(qū)域的測(cè)量，在產(chǎn)品研制階段，可以使用DIC方法在各類試驗(yàn)中進(jìn)行全場(chǎng)位移和應(yīng)變監(jiān)測(cè)。