數(shù)字圖像相關(guān)方法在機(jī)身壁板試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

王昌林，謝宇航，張文東

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

大型運(yùn)輸類飛機(jī)的機(jī)身壁板通常是由框、長桁和蒙皮等元件構(gòu)成，是組成飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)的重要單元，該組件在載荷的作用下所呈現(xiàn)的力學(xué)特性關(guān)乎飛機(jī)的飛行安全與經(jīng)濟(jì)效益[1]。進(jìn)行機(jī)身壁板類結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度試驗(yàn)，能夠有效地獲取壁板的力學(xué)特征，從而為機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析工作提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2，3]。

美國的NASA及德國的IMA作為該領(lǐng)域具有代表性的研究機(jī)構(gòu)，在機(jī)身壁板類試驗(yàn)領(lǐng)域有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時也開發(fā)了多個試驗(yàn)裝置，積累了大量的相關(guān)技術(shù)與數(shù)據(jù)。在國內(nèi)，臧偉峰等通過扭轉(zhuǎn)單閉室盒段施加機(jī)身壁板剪切載荷，設(shè)計(jì)了“D”字形試驗(yàn)裝置，較好地模擬了機(jī)身壁板剪切載荷邊界條件[4]。針對機(jī)身壁板進(jìn)行的力學(xué)試驗(yàn)大多采用應(yīng)變片配合采集系統(tǒng)作為測量手段，該應(yīng)變測量方式具有尺寸小、靈敏度高、響應(yīng)快及技術(shù)成熟的特點(diǎn)，但只能附著于壁板表面進(jìn)行點(diǎn)測量。

隨著機(jī)身壁板試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，對測量技術(shù)與方法提出了更高的要求。數(shù)字圖像相關(guān)法(Digital Image Correlation，DIC)在20世紀(jì)80年代被提出，該方法通過簡單的光路實(shí)現(xiàn)了非接觸全場測量。通過多年的發(fā)展與核心算法優(yōu)化，自動化程度與計(jì)算精度得到了大幅提升，因此在力學(xué)測試領(lǐng)域被廣泛使用[5]。本文將數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用于大曲率圓筒剪切強(qiáng)度靜力試驗(yàn)中，以高效的手段獲取了精確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對比分析獲取了試驗(yàn)對象的力學(xué)性能。

2 數(shù)字圖像相關(guān)方法

數(shù)字圖像相關(guān)法也稱為數(shù)字散斑相關(guān)方法，是一種基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的非接觸式測量技術(shù)。在數(shù)字圖像中，被攝物體表面所反射的光強(qiáng)度稱為灰度，灰度為該像素點(diǎn)的特有屬性，與物體表面成對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)物體表面發(fā)生位移或變形時，該區(qū)域內(nèi)的圖像信息發(fā)生相應(yīng)改變(變形前稱為參考圖像，變形后稱為變形圖像)。通過特定的算法程序，將變形前后的圖像信息進(jìn)行圖像相關(guān)分析并計(jì)算出圖像的位移信息，進(jìn)而獲得物體表面的變形量。

數(shù)字圖像相關(guān)法的基本原理如圖1所示，點(diǎn)P為參考圖像上的一點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心選取矩形圖像子區(qū)，并獲得該子區(qū)的像素灰度信息。點(diǎn)P發(fā)生位移后移到點(diǎn)P′，記錄變形圖像子區(qū)的像素灰度信息。Q點(diǎn)為點(diǎn)P的一系列臨近點(diǎn)，根據(jù)變形的連續(xù)性，在變形后圖像中Q′點(diǎn)依舊是P′點(diǎn)的臨近點(diǎn)[6]。

圖1 數(shù)字圖像相關(guān)方法基本原理

在對變形前后的圖像進(jìn)行相關(guān)搜索時，程序根據(jù)相關(guān)函數(shù)的值來確定目標(biāo)區(qū)域的準(zhǔn)確位置。標(biāo)準(zhǔn)互相關(guān)函數(shù)是常用的相關(guān)函數(shù)，其表達(dá)式如下：

(1)

3 試驗(yàn)內(nèi)容

采用全尺寸機(jī)身結(jié)構(gòu)(如整機(jī)、等直段等大部件)作為試驗(yàn)對象來研究壁板的力學(xué)性能將帶來高昂的試驗(yàn)費(fèi)用和較長的試驗(yàn)周期。若采用機(jī)身桶段代替全尺寸部件來進(jìn)行試驗(yàn)，通過精確的載荷施加與邊界模擬，不但能夠精準(zhǔn)掌握壁板結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，而且能夠有效節(jié)約成本，縮短試驗(yàn)周期[8，9]。本文使用大曲率圓筒作為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)件曲率半徑為500mm，長桁間距為160mm，框距為500mm，試驗(yàn)件總長2000mm。試驗(yàn)件長桁為Z形型材；蒙皮材料為鋁合金；框?yàn)殇X合金鈑金件，帶老鼠洞和長桁角片的Z形結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)件示意圖如2所示。

圖2 試驗(yàn)件示意圖

桶段兩端通過角盒分別與加載端夾具和支持端夾具固定連接。試驗(yàn)件過渡段端部角盒通過環(huán)向螺栓與支持端夾具固定連接，支持端夾具固定約束在承力立柱上。該方案由加載裝置、扣重裝置及防偏心裝置組成?？壑胤桨甘菫榱讼虞d裝置及試驗(yàn)件自重對加載精度的影響，防偏心裝置是為了避免試驗(yàn)件扭轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生偏心。因此，在加載裝置過圓筒軸心處采用銷軸限位措施，銷軸座支架與承力地坪固定連接，保證了銷軸及銷軸座在偏心力作用下位置固定。該試驗(yàn)方案如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)方案示意圖

參考MTS曲板計(jì)算，計(jì)算得到試驗(yàn)件的蒙皮臨界屈曲應(yīng)力和極限承載能力。對于1.5mm厚度的蒙皮，純剪失穩(wěn)臨界應(yīng)力為66MPa，純剪切載荷時的極限承載能力為90MPa，失效模式為強(qiáng)迫失穩(wěn)，對應(yīng)的剪流大小為135N/mm，對應(yīng)的圓筒扭矩為220kN·m。本文將100%試驗(yàn)載荷定義為P[10]，通過載荷處理，將P處理為一對力偶，利用作動筒施加在加載夾具上下兩端。由于實(shí)際破壞載荷可能大于100%試驗(yàn)載荷，保守取1.5倍試驗(yàn)載荷作為夾具強(qiáng)度校核輸入載荷。利用Abaqus有限元分析軟件對夾具整體進(jìn)行有限元分析，加載夾具最大Mises應(yīng)力為142.69MPa<[σ]，最大剪應(yīng)力為52.06MPa<[τ]，經(jīng)校核，加載系統(tǒng)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求。加載端示意圖如圖4所示。

圖4 加載端示意圖

4 試驗(yàn)測量

數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)采用兩個穩(wěn)定固定的相機(jī)，其測量范圍可覆蓋從幾毫米到數(shù)米的試驗(yàn)件。首先，對試驗(yàn)件表面噴涂隨機(jī)散斑或規(guī)則圖案進(jìn)行表面處理。在試驗(yàn)過程中，散斑會跟隨試驗(yàn)件一同發(fā)生變形，相機(jī)不斷對試驗(yàn)件進(jìn)行圖像采集，獲得每幅測量圖像中試驗(yàn)件的光學(xué)信息。基于數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行圖像處理，得到試驗(yàn)件的全場空間位移及表面應(yīng)力，測量結(jié)果能夠以三維全場、應(yīng)變分布曲線及統(tǒng)計(jì)結(jié)果等形式進(jìn)行輸出[11]，測量現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 測量現(xiàn)場照片

本試驗(yàn)中，DIC全場光測的測量區(qū)域?yàn)橛覀?cè)外蒙皮2框、3框、23長桁和27長桁所圍成的區(qū)域，實(shí)際噴涂DIC散斑時，將DIC全場光測的測量區(qū)擴(kuò)展至3框和4框中間區(qū)域，如圖6所示。

4.1 蒙皮永久屈曲試驗(yàn)

蒙皮永久屈曲試驗(yàn)的主要目的是獲得蒙皮發(fā)生永久屈曲時的載荷大小和應(yīng)力水平。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)件蒙皮發(fā)生永久屈曲的剪應(yīng)力約為70MPa，對應(yīng)79%試驗(yàn)載荷，將該數(shù)值作為試驗(yàn)參考。在試驗(yàn)時，通過逐級加載和卸載以獲得蒙皮發(fā)生局部變形時的載荷。載荷應(yīng)變曲線在83%P時發(fā)生拐折，說明此時試驗(yàn)件發(fā)生了剪切失穩(wěn)，但對應(yīng)DIC位移云圖并未出現(xiàn)明顯變化(見圖7)。

(a)失穩(wěn)前

(b)失穩(wěn)后圖7 失穩(wěn)前后DIC位移云圖

加載至87%P卸載后蒙皮大部分應(yīng)變值未能回到零點(diǎn)，因此判定試驗(yàn)件在87%P時蒙皮產(chǎn)生了塑性變形，DIC位移云圖出現(xiàn)明顯變化，如圖8所示。因此，蒙皮在87%P時產(chǎn)生了永久屈曲變形。

圖8 永久屈曲變形前后DIC位移云圖

4.2 破壞試驗(yàn)

加載至P的90%、91%、92%和95%時試驗(yàn)件發(fā)出響聲。加載至100%P后保載3s，試驗(yàn)件未發(fā)生破壞。在100%P試驗(yàn)保載3s后繼續(xù)以1%P加載，在P的101%、104%時試驗(yàn)件發(fā)出聲響。加載至113.9%P時，隨著一聲巨響，試驗(yàn)件失去承載能力受剪破壞。試驗(yàn)獲取了有效的應(yīng)變、位移數(shù)據(jù)和DIC測量數(shù)據(jù)，右側(cè)蒙皮考核區(qū)DIC位移云圖見圖9。

(a)0%P

(b)70%P

(c)100%P

(d)113%P圖9 破壞試驗(yàn)右側(cè)蒙皮考核區(qū)DIC位移云圖

根據(jù)破壞試驗(yàn)載荷-應(yīng)變曲線可知，破壞試驗(yàn)蒙皮的失穩(wěn)載荷比剪切失穩(wěn)臨界值測量試驗(yàn)低。試驗(yàn)件蒙皮臨界失穩(wěn)載荷為87%P，失穩(wěn)后卸載，再進(jìn)行破壞試驗(yàn)，蒙皮失穩(wěn)載荷前移至約60%P。試驗(yàn)件破壞時現(xiàn)場照片如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)件破壞時現(xiàn)場照片

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)制造了機(jī)身壁板剪切試驗(yàn)裝置，用以模擬大曲率圓筒支持邊界條件，針對剪切載荷進(jìn)行了精確施加，加載過程平穩(wěn)。在實(shí)際測量過程中，基于數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行了測量原理及測量結(jié)果處理等相關(guān)問題的研究，最終確立了測量方案，取得了有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過對試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，驗(yàn)證了試驗(yàn)方案的正確性、合理性及該測量技術(shù)的精確性。試驗(yàn)結(jié)果表明，大曲率圓筒蒙皮失穩(wěn)載荷為83%P、永久屈曲載荷為87%P，破壞載荷為113.9%P。在壁板類試驗(yàn)中，應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)法進(jìn)行測量能夠在保證測量精度的前提下大幅提高試驗(yàn)測量效率，在一定程度上填補(bǔ)了該技術(shù)在壁板類試驗(yàn)中的應(yīng)用空白。