曾小虎　李贊澄

【摘 要】基于某民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗室，探討了數(shù)字圖像相關(guān)方法與傳統(tǒng)應(yīng)變測試方法的優(yōu)缺點，論證了數(shù)字圖像相關(guān)方法在民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中的必要性，并提出了數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)的設(shè)計方案以滿足該民機(jī)強(qiáng)度試驗室多樣化測量需求。

【關(guān)鍵詞】民機(jī)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗室；數(shù)字圖像相關(guān)方法

0 引言

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗是民機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)過程中必不可少的基本條件之一，從結(jié)構(gòu)選材到性能驗證整個漫長的研發(fā)過程中，大量材料、元件、組件、部件的選用和設(shè)計都離不開試驗的支持和驗證。而隨著我國民機(jī)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，民機(jī)的結(jié)構(gòu)、受載狀態(tài)越來越復(fù)雜，民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗對應(yīng)變測試技術(shù)和測試方法也提出了更高的要求，如三維應(yīng)變場測試問題、測試系統(tǒng)的抗電磁干擾問題以及接觸測量所導(dǎo)致的被測對象動態(tài)特性的變化問題等，致使傳統(tǒng)的測試方法難以達(dá)到理想的測試效果。

因此，數(shù)字圖像相關(guān)方法以其全場測量、非接觸等優(yōu)勢得到了極大的關(guān)注[1]。近年來，數(shù)字圖像相關(guān)方法發(fā)展迅速，已經(jīng)成功地應(yīng)用于各種材料的力學(xué)行為測試、動態(tài)測量、斷裂力學(xué)分析等方面中。本文以某民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗室為例，探討了數(shù)字圖像相關(guān)方法與傳統(tǒng)應(yīng)變測試方法的優(yōu)缺點，論證了數(shù)字圖像相關(guān)方法在民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中的必要性。

1 數(shù)字圖像相關(guān)方法介紹

1.1 數(shù)字圖像相關(guān)方法簡介

數(shù)字圖像相關(guān)方法（Digital Image Correlation），是一種基于數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)的非接觸式光學(xué)測量方法，也稱為數(shù)字散斑相關(guān)方法，簡稱DIC方法。這種方法主要用于測量在外載荷或者其他因素作用下材料或者結(jié)構(gòu)的變形場。它是圖像處理與識別技術(shù)、現(xiàn)代先進(jìn)光電技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代光測力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。

1.2 數(shù)字圖像相關(guān)方法基本原理[2]

數(shù)字圖像相關(guān)方法通過處理不同狀態(tài)下試件表面的兩幅數(shù)字圖像，獲取需求像素點的位移信息，并利用變形前后圖像的散斑灰度特征建立對應(yīng)關(guān)系。然后依據(jù)這種對應(yīng)關(guān)系，在變形前后圖像上尋找對應(yīng)點，最終得到所求位移值。其中，變形前、后的圖像分別稱為參考圖像和目標(biāo)圖像。基本原理示意圖如圖1所示：

符號<>表示矩陣元素的平均值。當(dāng)C=1時，表示兩個子區(qū)域完全相關(guān)；C=0時，表示兩個子區(qū)域毫無相關(guān)。采用數(shù)字圖像相關(guān)方法進(jìn)行計算時，通常將參考圖像中待計算區(qū)域以虛擬網(wǎng)格形式進(jìn)行劃分，然后計算每個網(wǎng)格節(jié)點的位移，從而得出全場位移。

2 數(shù)字圖像相關(guān)方法與傳統(tǒng)應(yīng)變測試方法對比

2.1 傳統(tǒng)應(yīng)變測試方法

傳統(tǒng)的應(yīng)變測試方法是應(yīng)變電測法。通過應(yīng)變電測法進(jìn)行應(yīng)變測量是對工程結(jié)構(gòu)件設(shè)計、制造和裝配的可靠性以及安全性進(jìn)行測試、分析和評估的常用手段，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶等工程領(lǐng)域。圖2所示為應(yīng)變電測法在航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

應(yīng)變電測法首先通過粘貼于試件表面的電阻應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測量，并繪制應(yīng)力—應(yīng)變曲線，再根據(jù)該曲線確定試件的表面應(yīng)力狀態(tài)，從而進(jìn)行試驗應(yīng)力分析。測量流程如圖3所示：

2.2 數(shù)字圖像相關(guān)方法與傳統(tǒng)應(yīng)變測試方法對比分析

對于現(xiàn)代民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗的應(yīng)變測量，一般有兩種方法：接觸式和非接觸式。

接觸式方法中最常用的應(yīng)變電測法是一種表面應(yīng)變逐點測量方法，技術(shù)成熟，距今已有70年左右的歷史，應(yīng)用范圍涉及各種行業(yè)領(lǐng)域[3]。具有如下優(yōu)點：

1）應(yīng)變片尺寸小、重量輕，粘貼方便，對試件的工作狀態(tài)和應(yīng)力分布影響小；

2）測量靈敏度和精度高，常溫測量時精度可達(dá)到1%～2%；

3）頻率響應(yīng)快，機(jī)械滯后??；

4）技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。

但是，應(yīng)變電測法受到其測量手段的限制，具有如下局限性：

1）盡管應(yīng)變片尺寸可以很小，但是對應(yīng)力集中的測量仍不夠精確；

2）一枚應(yīng)變片只能測一個“點”，而且測出的應(yīng)變只能代表柵長范圍內(nèi)的平均應(yīng)變；

3）應(yīng)變電測法只能進(jìn)行表面應(yīng)變測量，無法進(jìn)行三維應(yīng)變測量。

非接觸式方法中趨于成熟的數(shù)字圖像相關(guān)方法起源于上世紀(jì)八十年代，可以直接采用自然光源或白光源，通過高分辨率的CCD或CMOS相機(jī)采集圖像，并利用相關(guān)算法處理圖像信息，從而得出全場應(yīng)變。由于數(shù)字圖像相關(guān)方法的測量精度取決于數(shù)字圖像的分辨率和清晰度，因此隨著科技和數(shù)字化的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像相關(guān)方法的測量精度也在不斷提升[4]。該方法的優(yōu)點如下所述：

1）屬于光學(xué)測量方法，抗電磁干擾能力強(qiáng)；

2）屬于非接觸式測量方法，具有應(yīng)變電測法所不能達(dá)到的全場測量優(yōu)勢，既可以測量結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)變，也可以測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變；

3）該方法可以直觀反映出應(yīng)力集中現(xiàn)象，不僅很容易找到應(yīng)力集中的部位，而且可以確定應(yīng)力集中系數(shù)；

4）可以進(jìn)行三維應(yīng)變測量。

但是，數(shù)字圖像相關(guān)方法同樣存在一些技術(shù)缺陷：

1）對于極限環(huán)境下的應(yīng)變測量，需對相機(jī)鏡頭進(jìn)行保護(hù)；

2）使用前需對攝像系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；

3）技術(shù)不夠成熟，無法完全取代應(yīng)變電測法。

通過對數(shù)字圖像相關(guān)方法和應(yīng)變電測法的優(yōu)缺點進(jìn)行對比分析，可以看出數(shù)字圖像相關(guān)方法擁有應(yīng)變電測法所無法達(dá)到的全場測量優(yōu)勢，彌補(bǔ)了應(yīng)變電測法的缺陷，具有可觀的應(yīng)用前景。

3 數(shù)字圖像相關(guān)方法應(yīng)用的必要性

在民機(jī)強(qiáng)度試驗中，傳統(tǒng)的應(yīng)變電測法可以完成大部分的應(yīng)變測量任務(wù)。但是有時會遇到結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)未知的情況，應(yīng)變電測法難以準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力區(qū)域，這時測量結(jié)構(gòu)的全場應(yīng)變顯得尤為重要。而通過數(shù)字圖像相關(guān)方法可以獲取結(jié)構(gòu)的全場應(yīng)變并以圖像的形式直觀地顯示出最大應(yīng)力區(qū)域。

以某民機(jī)強(qiáng)度試驗室為例，根據(jù)該試驗室試驗?zāi)芰Φ囊?guī)劃，分析其應(yīng)變測量需求。

該民機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗室規(guī)劃的總體試驗?zāi)芰椋?/p>

1）能夠同時進(jìn)行兩項部件級靜強(qiáng)度試驗和兩項部件級疲勞試驗；

2）能同時開展十項組（元）件級靜強(qiáng)度及疲勞試驗。

對于組（元）件級靜強(qiáng)度及疲勞試驗，傳統(tǒng)的應(yīng)變電測法是可以滿足測量需求的。然而，對于部件級靜力和疲勞試驗，由于部件級結(jié)構(gòu)和負(fù)載狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，所以這些結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)在試驗前是未知的，這時采用數(shù)字圖像相關(guān)方法測量結(jié)構(gòu)的全場應(yīng)變，可以獲得更為理想的測量效果。

由此可見，對于該民機(jī)強(qiáng)度試驗室元件、組件及部件級靜力與疲勞試驗，采用數(shù)字圖像相關(guān)方法來輔助傳統(tǒng)應(yīng)變電測法進(jìn)行數(shù)據(jù)測量是相當(dāng)必要的。

4 數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)設(shè)計方案

4.1 數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)構(gòu)成

通過上一章的分析可知，數(shù)字圖像相關(guān)方法可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)應(yīng)變電測法無法進(jìn)行全場測量的缺陷，因此為滿足民機(jī)強(qiáng)度試驗多樣化的應(yīng)變測量需求，提出了數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖4所示，包括應(yīng)變測量頭、CMOS高速相機(jī)、控制器、LED照明裝置、圖形工作站、分析軟件、三角架和數(shù)據(jù)線。

4.2 數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)技術(shù)特點

數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)采用立體雙CMOS相機(jī)測量技術(shù)，基于數(shù)字圖像相關(guān)原理，利用一個靈活的觸發(fā)器讀取并記錄負(fù)載信號，控制系統(tǒng)進(jìn)行同步的圖像采集。系統(tǒng)具備極高的可靠性和測量精度，測量范圍可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，可以準(zhǔn)確和實時地測量大量反光靶點的動態(tài)位置坐標(biāo)，通過對試件在不同負(fù)載條件或不同運動條件下靶點位置進(jìn)行測量，準(zhǔn)確計算出試件相應(yīng)位置的位移和變形，結(jié)果以動態(tài)圖形化顯示和輸出。

該套系統(tǒng)適于測量和計算在負(fù)載和溫度變化條件下剛性零件的位移、物體的變形、軌跡以及零件的動態(tài)特性。能夠測得試件表面三維全場應(yīng)變圖，真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，系統(tǒng)可開展高速拉伸條件下的全場和局部應(yīng)變測試、常溫和高低溫環(huán)境下動靜態(tài)力學(xué)測試和疲勞試驗的測量要求，并且可以實時測量定靜、動態(tài)測試中的應(yīng)力分布，圖形化顯示，立即識別出臨界區(qū)域、從而為材料或者結(jié)構(gòu)的測試和分析提供準(zhǔn)確可靠的力學(xué)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文基于某民機(jī)強(qiáng)度試驗室，討論了兩種應(yīng)變測量方法的優(yōu)缺點，通過分析，論證了數(shù)字圖像相關(guān)方法在民機(jī)強(qiáng)度試驗中的必要性，并提出了數(shù)字圖像相關(guān)測量系統(tǒng)的設(shè)計方案，豐富了該民機(jī)強(qiáng)度試驗室的試驗手段，提高了該試驗室的試驗?zāi)芰Α?/p>

【參考文獻(xiàn)】

[1]方如華.光測力學(xué)的研究現(xiàn)狀和展望[J].上海力學(xué)，1989，10（03）：68-72.

[2]王懷文，亢一瀾，謝和平.數(shù)字散斑相關(guān)方法的應(yīng)用研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2005，35（02）：195-203.

[3]鄭俊，趙紅旺，朵興茂.應(yīng)力應(yīng)變測試方法綜述[J].汽車科技，2009（1）：5-8.

[4]潘兵.數(shù)字圖像相關(guān)方法及其在實驗力學(xué)中的應(yīng)用[D].清華大學(xué)，2007.

[責(zé)任編輯：王偉平]