變截面舵面結(jié)構(gòu)全場(chǎng)瞬態(tài)變形測(cè)量及振動(dòng)特性分析

彭富豪，于開平，康亞濤，劉帥帥，張 偉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001)

0 引言

變截面舵面結(jié)構(gòu)是飛行器的一個(gè)重要部件，其在空中飛行時(shí)，由于外部環(huán)境的激勵(lì)作用結(jié)構(gòu)將不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)，如何準(zhǔn)確測(cè)量變截面舵面結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性并實(shí)時(shí)獲得由于振動(dòng)引起變截面舵面結(jié)構(gòu)的變形、進(jìn)而獲取其模態(tài)參數(shù)并提高試驗(yàn)效率尤為重要，因此對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)變形測(cè)量具有重要意義[1-2]。

有限元技術(shù)為結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析提供了一種好的方法，但復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工工藝和結(jié)構(gòu)件實(shí)際裝配過程存在一些差別，有限元方法總會(huì)造成一定誤差[3]，尤其對(duì)飛行器中變截面舵面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，地面試驗(yàn)仍是一種可靠手段。目前振動(dòng)變形測(cè)量有接觸式和非接觸式兩種測(cè)量方法[4]。傳統(tǒng)測(cè)量方法主要通過應(yīng)變片和加速度傳感器來分別測(cè)量結(jié)構(gòu)表面的變形數(shù)據(jù)和振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，難以全面采集復(fù)雜結(jié)構(gòu)在變化過程中的全場(chǎng)變形過程，雖然傳感器朝著更加小巧的方向發(fā)展，但其不可避免對(duì)結(jié)構(gòu)引入附加質(zhì)量，對(duì)于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)尤為突出[5]。

為克服接觸測(cè)量方法的不足，發(fā)展了許多非接觸方法，如激光多普勒測(cè)振技術(shù)[5]、電子散斑干涉測(cè)量[6]、數(shù)字圖像相關(guān)方法[4，7-9]和三維點(diǎn)跟蹤方法[10]等。其中，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)是一種光力學(xué)測(cè)量技術(shù)，通過光學(xué)方法能測(cè)量結(jié)構(gòu)全場(chǎng)形貌、變形及全場(chǎng)振動(dòng)數(shù)據(jù)，在工程領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[11-18]。孫光永[4]等運(yùn)用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)矩形鋁板和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，得到鋁板和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的工作振型。周云[7]等對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行視覺測(cè)量和激光位移測(cè)量試驗(yàn)，并研究了相機(jī)與鋼框架結(jié)構(gòu)之間的距離對(duì)視覺測(cè)量系統(tǒng)精度的影響。韓玉迎[9]等提出新的圖像邊緣提取方法解決目標(biāo)物體邊緣不清晰的物體，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。徐超[19]等將數(shù)字圖像相關(guān)方法獲得的大柔性結(jié)構(gòu)固有頻率與加速度數(shù)據(jù)求得的結(jié)構(gòu)固有頻率進(jìn)行比較，驗(yàn)證了數(shù)字圖像相關(guān)方法在結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移測(cè)量和動(dòng)態(tài)特性識(shí)別方面的有效性。Ha[20]等用數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)仿圓錐蟲后翅的人工機(jī)翼進(jìn)行模態(tài)分析，得到其結(jié)構(gòu)的固有頻率和阻尼比。Hagara[21]等用數(shù)字圖像相關(guān)方法識(shí)別薄板模態(tài)參數(shù)，為輕質(zhì)薄板的非接觸測(cè)量提供參考。

要想全面認(rèn)識(shí)變截面舵面結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)過程中全場(chǎng)瞬態(tài)變形過程以及振動(dòng)特性，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法難以實(shí)現(xiàn)且只能得到結(jié)構(gòu)表面較少測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)。此外，有限元數(shù)值計(jì)算雖一定程度上能直觀地展示變截面舵面結(jié)構(gòu)的變形過程和振動(dòng)響應(yīng)，但其計(jì)算模型及結(jié)果的有效性需以可靠的試驗(yàn)結(jié)果作為依據(jù)，因此，開展變截面舵面結(jié)構(gòu)全場(chǎng)瞬態(tài)變形測(cè)量及振動(dòng)特性分析十分必要。首先，搭建了一套全場(chǎng)非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)受隨機(jī)激勵(lì)載荷作用下的變形及振動(dòng)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究；然后，通過安裝變截面舵面結(jié)構(gòu)測(cè)試工裝，對(duì)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試；其次，以2A12鋁合金材料制成的變截面舵面結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象，利用三維數(shù)字圖像相關(guān)(DIC,digital image correlation)方法直接測(cè)量變截面舵面結(jié)構(gòu)全場(chǎng)瞬態(tài)變形并進(jìn)行振動(dòng)特性分析；最后，使用微小型常溫加速度傳感器來測(cè)量變截面舵面結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，驗(yàn)證了非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1 變形測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

該系統(tǒng)可分為硬件、軟件兩部分。試驗(yàn)系統(tǒng)各部分的功能如表1所示。圖1為變截面舵面結(jié)構(gòu)變形測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 變截面舵面結(jié)構(gòu)變形測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

表1 變截面舵面結(jié)構(gòu)變形測(cè)量系統(tǒng)各部分功能表

變形測(cè)量系統(tǒng)原理如下：根據(jù)變形測(cè)量系統(tǒng)搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，首先，對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行清理并進(jìn)行白色噴漆和人工散斑制作，使用標(biāo)定板對(duì)制作的變截面舵面結(jié)構(gòu)的人工散斑圖像進(jìn)行標(biāo)定，使其標(biāo)定分?jǐn)?shù)在可接受的范圍內(nèi)；然后，通過模態(tài)激振器和功率放大器一起作用對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行序列脈沖激勵(lì)，為變截面舵面結(jié)構(gòu)模擬外部激勵(lì)振動(dòng)環(huán)境；其次，在數(shù)據(jù)采集與分析軟件上對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)表面上的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在圖像處理軟件上對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)采集的人工散斑圖像信號(hào)進(jìn)行圖像分析；最后，將接觸式與非接觸式測(cè)量得到的變截面舵面結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

2 變形測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件部分

2.1.1 機(jī)械部分

1)標(biāo)定板。根據(jù)高速相機(jī)拍攝視野區(qū)域的大小，用標(biāo)定板對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定，選用的標(biāo)定板如圖2所示，其表面共有140個(gè)標(biāo)志識(shí)別測(cè)量點(diǎn)。在標(biāo)定的過程中，使標(biāo)定板盡可能緊靠變截面舵面結(jié)構(gòu)，標(biāo)定板大小占整個(gè)視野的75%左右，且標(biāo)定板需全部處于高速相機(jī)對(duì)焦的景深范圍之內(nèi)，以確保高速相機(jī)對(duì)焦清晰。

圖2 標(biāo)定板

2)輔助光源。在對(duì)高速相機(jī)進(jìn)行初始化黑場(chǎng)平衡后，取下高速相機(jī)的鏡頭蓋，對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)表面散斑圖像進(jìn)行補(bǔ)光。輔助光源采用2個(gè)200瓦LED點(diǎn)光源，為高速相機(jī)進(jìn)行清晰拍攝結(jié)構(gòu)表面散斑圖像進(jìn)一步補(bǔ)光調(diào)節(jié)。

3)邊界約束工裝。變截面舵面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的下端面中部安裝在固定約束邊界工裝內(nèi)，支撐底座起支撐作用，放置在T型槽鑄鐵平臺(tái)上，為防止變截面舵面結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，采用配套螺栓進(jìn)行約束，其邊界約束工裝如圖3所示。

圖3 變截面舵面結(jié)構(gòu)的邊界約束方式實(shí)物照片

4)三角架。將兩臺(tái)高速相機(jī)放置在變截面舵面結(jié)構(gòu)正面垂直方向兩側(cè)，用三角架對(duì)兩臺(tái)高速相機(jī)進(jìn)行定位調(diào)節(jié)。使用三腳架的3個(gè)支撐架進(jìn)行展開并調(diào)節(jié)與變截面舵面結(jié)構(gòu)距離合理的位置，調(diào)節(jié)兩臺(tái)高速相機(jī)之間的傾角，使變截面舵面結(jié)構(gòu)均位于兩臺(tái)相機(jī)視野的中心位置。

2.1.2 控制部分

1)數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)采用德國(guó)M+P國(guó)際公司生產(chǎn)的M+P振動(dòng)聲學(xué)測(cè)試分析系統(tǒng)，其有2路函數(shù)輸出信號(hào)源和32位DA輸出信號(hào)源，可輸出電壓、溫度、ICP和應(yīng)變信號(hào)。

2)控制計(jì)算機(jī)。使用控制計(jì)算機(jī)對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)瞬態(tài)變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)全過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制?？刂朴?jì)算機(jī)一方面與數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)通過TCP/IP通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，另一方面與高速相機(jī)之間通過千兆數(shù)據(jù)傳輸線進(jìn)行圖像信息傳輸。

2.1.3 激勵(lì)部分

1)模態(tài)激振器。模態(tài)激振器的作用是使變截面舵面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)，模擬變截面舵面結(jié)構(gòu)受到外部激勵(lì)環(huán)境，采用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的模態(tài)激振器JZK-20，其最大激振力為20 N，頻率范圍為DC～15 000 Hz，工作溫度范圍為-30～+70 ℃。

2)功率放大器。功率放大器的作用是將M+P振動(dòng)聲學(xué)測(cè)試分析系統(tǒng)上信號(hào)發(fā)生器輸出的相當(dāng)弱小的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，供給模態(tài)激振器一定的電流，推動(dòng)模態(tài)激振器工作，采用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的YE5873A功率放大器，其額定輸出功率為500 VA，工作溫度范圍為0～+40 ℃。

2.1.4 傳感部分

1)動(dòng)態(tài)力傳感器。動(dòng)態(tài)力傳感器用于測(cè)量變截面舵面結(jié)構(gòu)表面受到激振力，選用北京美科環(huán)試機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PCB218C美國(guó)進(jìn)口力傳感器，其測(cè)量范圍不大于22.24 kN，電荷靈敏度為4.047 pC/N，工作溫度范圍為-184～+204 ℃。

2)加速度傳感器。加速度傳感器用于測(cè)量變截面舵面結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，選用江蘇東華測(cè)試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的1A803E(CJYR2021-5328)微小型壓電式加速度傳感器，其軸向靈敏度為1.015 mV/g，頻率響應(yīng)范圍為5～10 000 Hz，重量為1.2 g，工作溫度范圍為-40～+80 ℃，量程為±500 g。

3)高速相機(jī)。高速相機(jī)用于拍攝變截面舵面結(jié)構(gòu)表面的散斑圖像，通過高速相機(jī)能夠?qū)崟r(shí)拍攝舵面結(jié)構(gòu)表面隨著模態(tài)激振器激勵(lì)而發(fā)生的微小變化，從而得到每一瞬時(shí)變截面舵面結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)變變化，選用美國(guó)Vision Research公司生產(chǎn)的100萬像素級(jí)高速攝像機(jī)，其相機(jī)的分辨率為1 280×800，滿幅拍攝速率可達(dá)5 200幀/秒，使用時(shí)用同一數(shù)據(jù)接口保證兩個(gè)相機(jī)同步觸發(fā)。

2.2 軟件部分

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分包括VIC-3D分析軟件、振動(dòng)信號(hào)采集控制軟件、模態(tài)分析軟件3部分。

2.2.1 VIC-3D分析軟件

變截面舵面結(jié)構(gòu)VIC-3D分析軟件流程如圖4所示，包括變截面舵面結(jié)構(gòu)全場(chǎng)瞬態(tài)應(yīng)變計(jì)算、頻率分析。為保證變截面舵面結(jié)構(gòu)在高質(zhì)量的散斑圖像信息下進(jìn)行變形測(cè)量試驗(yàn)，采用小孔成像原理、雙目立體視覺技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)獲得的變形前后散斑圖像進(jìn)行對(duì)比分析。首先創(chuàng)建數(shù)據(jù)文件，對(duì)2個(gè)高速相機(jī)進(jìn)行黑場(chǎng)平衡，進(jìn)而使用標(biāo)定板對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)的散斑圖像進(jìn)行標(biāo)定，通過相機(jī)標(biāo)定結(jié)果判斷相機(jī)標(biāo)定的散斑圖像質(zhì)量是否合理，若相機(jī)標(biāo)定分?jǐn)?shù)小于0.025，則相機(jī)標(biāo)定可以接受，若相機(jī)標(biāo)定分?jǐn)?shù)大于0.025，則需要對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)的散斑圖形進(jìn)行重新標(biāo)定，一般情況下需要對(duì)兩個(gè)相機(jī)的安裝位置及標(biāo)定板在散斑圖像上的擺放位置和角度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；然后，按照變截面舵面結(jié)構(gòu)的實(shí)際形狀對(duì)其進(jìn)行多邊形區(qū)域劃分和區(qū)域重組，選用變截面舵面結(jié)構(gòu)分析的子集大小為29，子集權(quán)重為高斯權(quán)重，分析步長(zhǎng)為7，噪聲等級(jí)為8，插值為最高質(zhì)量的8次樣條插值，相關(guān)性準(zhǔn)則選用零均值歸一化平方差相關(guān)函數(shù)進(jìn)行判斷，一致性閾值及置信區(qū)間的最大允許區(qū)間均為0.05；其次，對(duì)VIC-3D分析得到變截面舵面結(jié)構(gòu)散斑圖像上的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)變計(jì)算，分析過程中選用的過濾器大小為15，張量類型采用拉格朗日法進(jìn)行分析，進(jìn)而得到變截面舵面結(jié)構(gòu)每一毫秒時(shí)刻全場(chǎng)瞬態(tài)應(yīng)變數(shù)值；最后，對(duì)得到的變截面舵面結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，采用的分析頻率為1 000 Hz，分析步長(zhǎng)與標(biāo)定時(shí)選用的一致，平滑過濾器大小為15，為盡可能減小信號(hào)泄露，使用漢寧窗作為加窗函數(shù)，進(jìn)而得到變截面舵面結(jié)構(gòu)全場(chǎng)振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖4 變截面舵面結(jié)構(gòu)VIC-3D分析流程圖

2.2.2 振動(dòng)信號(hào)采集控制軟件

振動(dòng)信號(hào)采集控制流程如圖5所示，為了采集變截面舵面結(jié)構(gòu)表面上的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，首先，創(chuàng)建一個(gè)工程文件，在振動(dòng)信號(hào)采集控制軟件上的信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行激勵(lì)通道、響應(yīng)通道、激勵(lì)信號(hào)類型及大小進(jìn)行選擇，對(duì)動(dòng)態(tài)力傳感器和微小型加速度傳感器信號(hào)的靈敏度、信號(hào)類型、輸入模式等進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，選用的激勵(lì)水平的頻率范圍為20～2 000 Hz；然后，對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)的采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，將采樣頻率設(shè)置為2 048 Hz、有效帶寬為800 Hz、每一個(gè)采集塊的大小和時(shí)間分別為4 096和2 s；其次，對(duì)測(cè)量的舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)布置及幾何模型設(shè)置；最后，對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行示波，進(jìn)行3次預(yù)實(shí)驗(yàn)待測(cè)試信號(hào)穩(wěn)定后對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖5 振動(dòng)信號(hào)采集控制流程圖

2.2.3 模態(tài)分析軟件

振動(dòng)信號(hào)模態(tài)分析流程如圖6所示，為了對(duì)數(shù)據(jù)采集到的變截面舵面結(jié)構(gòu)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行模態(tài)分析，首先，建立變截面舵面結(jié)構(gòu)模態(tài)工程文件，對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程模型編輯；然后，將數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)采集到的變截面舵面結(jié)構(gòu)信號(hào)全部導(dǎo)入到M+P SmartOffice中Advanced MDOF Wizard中進(jìn)行模態(tài)計(jì)算；其次，選擇模態(tài)計(jì)算方法，對(duì)測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)點(diǎn)初始估計(jì)與測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合，并選取模態(tài)穩(wěn)定點(diǎn)與實(shí)際測(cè)量點(diǎn)的頻響函數(shù)曲線進(jìn)行擬合對(duì)比；最后，對(duì)模態(tài)工程數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別及模態(tài)驗(yàn)證，得到變截面舵面結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，輸出模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行模態(tài)工程文件存儲(chǔ)。

圖6 振動(dòng)信號(hào)模態(tài)分析流程圖

3 變截面舵面結(jié)構(gòu)變形測(cè)量及振動(dòng)特性分析

變截面舵面結(jié)構(gòu)全場(chǎng)光學(xué)變形測(cè)量系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 變截面舵面結(jié)構(gòu)全場(chǎng)光學(xué)變形測(cè)試系統(tǒng)原理圖

以2A12鋁合金材料制成的變截面舵面結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，下端長(zhǎng)度為390 mm，上端長(zhǎng)度為185 mm，側(cè)面寬度為177 mm，其示意圖及35個(gè)加速度測(cè)量點(diǎn)布置如圖8所示；此外，變截面舵面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)側(cè)面照片如圖9所示，變截面舵面結(jié)構(gòu)上表面厚度為6 mm，結(jié)構(gòu)下表面厚度為20 mm，2A12鋁合金材料性能參數(shù)見表2。

圖8 變截面舵面結(jié)構(gòu)模型圖及加速度測(cè)量點(diǎn)布置

圖9 變截面舵面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)側(cè)面照片

表2 變截面舵面結(jié)構(gòu)性能參數(shù)

對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)在室溫下進(jìn)行全場(chǎng)光學(xué)非接觸振動(dòng)試驗(yàn)，得到變截面舵面結(jié)構(gòu)前1 000 ms內(nèi)全場(chǎng)瞬態(tài)平均位移變化，如圖10所示。從圖中可以看出，變截面舵面結(jié)構(gòu)表面在受到模態(tài)激振器激勵(lì)過程中，前1 000 ms內(nèi)變截面舵面結(jié)構(gòu)在U、V和W三個(gè)方向的平均位移值均在0上下波動(dòng)，且W向平均位移值遠(yuǎn)大于U向和V向平均位移值，說明在對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行最初始時(shí)刻外部激勵(lì)時(shí)，相對(duì)于W方向位移的變化，U和V兩個(gè)方向的位移幾乎可以忽略不計(jì)。

圖10 變截面舵面結(jié)構(gòu)U、V、W三個(gè)方向1000ms平均位移

圖11～13為變截面舵面結(jié)構(gòu)表面在1 ～6 ms時(shí)間段內(nèi)全場(chǎng)瞬態(tài)應(yīng)變場(chǎng)分布。

從圖11～13可以看出，變截面舵面結(jié)構(gòu)表面在受到模態(tài)激振器激勵(lì)過程中，X方向正應(yīng)變、Y方向正應(yīng)變以及切應(yīng)變的應(yīng)變最大值主要集中在變截面舵面結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域，且不同時(shí)刻變截面舵面結(jié)構(gòu)在受到振動(dòng)激勵(lì)后其表面在不同方向上的應(yīng)變位置和大小均不一樣。

圖11 不同時(shí)刻X方向正應(yīng)變

圖12 不同時(shí)刻Y方向正應(yīng)變

圖13 不同時(shí)刻切應(yīng)變

此外，從圖11～13也可以看出，在前6 ms時(shí)間內(nèi)，X方向正應(yīng)變的最大值隨著時(shí)間的增加逐漸增大，全場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)最大值為3.65×10-4，變截面舵面結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變最大區(qū)域由四周邊角逐漸向右下角移動(dòng)；而Y方向正應(yīng)變和切應(yīng)變的最大值隨著時(shí)間的增大呈現(xiàn)波動(dòng)變化，全場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)最大值波動(dòng)范圍分別是[1.94，2.92]×10-4和[1.08，1.96] ×10-4，且前6 ms時(shí)間內(nèi)變截面舵面結(jié)構(gòu)Y方向全場(chǎng)正應(yīng)變最大值主要集中在左下角類四邊形通孔四周邊緣。

表3為變截面舵面結(jié)構(gòu)非接觸式和接觸式兩種振動(dòng)測(cè)試所得固有頻率的對(duì)比。從表3可以看出，變截面舵面結(jié)構(gòu)采用相機(jī)進(jìn)行的非接觸測(cè)量前三階固有頻率分別為240.04 Hz，350.06 Hz和410.05 Hz，與采用微小型常溫加速度傳感器進(jìn)行接觸式測(cè)量所得的前三階固有頻率基本相同，變截面舵面結(jié)構(gòu)前三階固有頻率測(cè)量誤差保持在2%以內(nèi)。

表3 變截面舵面結(jié)構(gòu)固有頻率對(duì)比 Hz

表4為變截面舵面結(jié)構(gòu)非接觸式和接觸式兩種振動(dòng)測(cè)試所得阻尼比的對(duì)比。從表4可以看出，變截面舵面結(jié)構(gòu)采用相機(jī)進(jìn)行的非接觸測(cè)量前三階阻尼比分別為0.296%，0.219%和0.364%，說明變截面舵面結(jié)構(gòu)整體上減振效果不高，與采用微小型常溫加速度傳感器進(jìn)行接觸式測(cè)量所得的前三階阻尼比基本相同，變截面舵面結(jié)構(gòu)前三階阻尼比測(cè)量誤差保持在6%以內(nèi)。

表4 變截面舵面結(jié)構(gòu)阻尼比對(duì)比 %

圖14和圖15為變截面舵面結(jié)構(gòu)非接觸式和接觸式兩種振動(dòng)測(cè)試所得的模態(tài)振型，其中圖14為變截面舵面結(jié)構(gòu)非接觸式全場(chǎng)模態(tài)振型， 圖15為變截面舵面結(jié)構(gòu)接觸式35個(gè)測(cè)量點(diǎn)(測(cè)量點(diǎn)布置如圖8所示)得到的模態(tài)振型圖。從圖中可以看出，變截面舵面結(jié)構(gòu)第一階和第二階模態(tài)振型均為彎曲模式，第三階模態(tài)振型為彎曲扭轉(zhuǎn)耦合模式，即使用的接觸式和非接觸式兩種測(cè)試方法得到的變截面舵面結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)振型一致。

圖14 變截面舵面結(jié)構(gòu)非接觸式前3階全場(chǎng)模態(tài)振型圖

圖15 變截面舵面結(jié)構(gòu)接觸式35個(gè)測(cè)量點(diǎn)前3階全場(chǎng)模態(tài)振型圖

4 結(jié)束語

1)搭建了一套全場(chǎng)非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)在外界隨機(jī)載荷激勵(lì)作用下的全場(chǎng)瞬態(tài)變形及振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

2)以2A12鋁合金材料制成的變截面舵面結(jié)構(gòu)為對(duì)象進(jìn)行全場(chǎng)瞬態(tài)變形測(cè)量，得到其前6 ms時(shí)間內(nèi)X方向正應(yīng)變、Y方向正應(yīng)變以及切應(yīng)變的全場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)分布，并獲得前1 000 ms內(nèi)3個(gè)方向平均位移變化。

3)對(duì)變截面舵面結(jié)構(gòu)進(jìn)行全場(chǎng)瞬態(tài)變形測(cè)量，將獲得的變截面舵面結(jié)構(gòu)全部散斑圖像進(jìn)行傅里葉變換，得到變截面舵面結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)參數(shù)，與接觸式微小型加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量得到的測(cè)量結(jié)果非常吻合，驗(yàn)證了非接觸應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于變截面舵面結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和可行性。

經(jīng)實(shí)際應(yīng)用研制了一套非接觸全場(chǎng)瞬態(tài)變形測(cè)量系統(tǒng)，驗(yàn)證了三維數(shù)字圖像相關(guān)的全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量技術(shù)的有效性和準(zhǔn)確性，該測(cè)試系統(tǒng)一方面可為變截面舵面結(jié)構(gòu)在高溫振動(dòng)耦合環(huán)境下的安全設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考依據(jù)，另一方面可為非線性復(fù)雜變截面結(jié)構(gòu)的全場(chǎng)振動(dòng)測(cè)量提供一個(gè)很好的試驗(yàn)測(cè)試方法。