王 群 李雄魁 路志峰 黎漢華 周江帆

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076； 2.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076)

1 引 言

殼段結(jié)構(gòu)是火箭系統(tǒng)中連接發(fā)動機、提供儀器安裝的重要組成部分，需要承受飛行過程中較大的載荷。新設計的火箭殼段結(jié)構(gòu)一般都要進行靜力試驗，以校核結(jié)構(gòu)的應力、應變、位移等狀態(tài)。目前殼段結(jié)構(gòu)的靜力試驗主要以電測法的形式獲取相關(guān)參數(shù)。電測法是借助電阻傳感器來獲得被測物體表面的應力或應變值，該方法是一種接觸式測量，被測量試件有一定的剛度要求，只能針對貼片位置進行點測量，在具體應用上存在較大的局限性，如測量范圍有限，復雜位置或因空間限制而無法測量，受環(huán)境溫度及應變片靈敏度影響需要考慮溫度補償，此外還存在導線多、工序復雜、效率低等一系列問題。尤其對于越來越精細化的殼段結(jié)構(gòu)設計，往往期望獲得覆蓋面較廣的測量數(shù)據(jù)，減少測量誤差，而這種電阻應變測量的方法越來越無法滿足箭體結(jié)構(gòu)靜力試驗的使用要求，因此需要引入一種新型的殼段應力-應變測量方法，即基于數(shù)字散斑相關(guān)的光學測量方法，以滿足結(jié)構(gòu)精細化分析與設計要求。

2 基于數(shù)字散斑相關(guān)的光學測量方法簡介

數(shù)字散斑相關(guān)方法(Digital speckle correlation method，DSCM)是在 20 世紀 80 年代被提出的光力學測量技術(shù)，通過對變形前后結(jié)構(gòu)表面的兩幅散斑圖進行相關(guān)處理來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形場的測量[1]，具有非接觸、全場測量、高測量靈敏度、物體表面局部精細化、高精度的特點，可以彌補傳統(tǒng)測量方法在結(jié)構(gòu)件變形較大、材質(zhì)較軟、間隙測量、結(jié)構(gòu)件尺寸小、應力集中等方面的不足[2,3]。

光學測量系統(tǒng)具備以下測量能力：

1)實現(xiàn)物體表面全場、非接觸、大變形測量；

2)實現(xiàn)物體表面局部精細化、高精度的測量；

3)實現(xiàn)大結(jié)構(gòu)件空間點三維坐標測量。

近年來，隨著 DSCM 理論體系的不斷發(fā)展，該方法以其良好的環(huán)境適應性，已經(jīng)成為現(xiàn)代光學非接觸測量的重要方法，在力學、材料性能領(lǐng)域的位移和應變測量已經(jīng)獲得了很大的成功，其應用領(lǐng)域仍在不斷地拓展。

3 數(shù)字散斑相關(guān)方法測量基本原理

數(shù)字散斑相關(guān)測量方法主要通過圖像采集(CCD攝像機)、圖像數(shù)字化，記錄物體在不同變形時刻或者不同變形狀態(tài)的兩幅散斑圖，通過模擬-數(shù)字的轉(zhuǎn)換得到數(shù)字灰度場，然后通過相關(guān)計算，得到相關(guān)系數(shù)極值點，即根據(jù)物體變形前后散斑場的互相關(guān)性來獲取物體的位移和變形的信息。

數(shù)字圖像相關(guān)方法是在變形前的散斑圖中，取以待求點(x，y)為中心的(2M+1)×(2M+1)的矩形圖像子區(qū)，在變形后的目標散斑圖像中通過一定的搜索方法，并通過某一相關(guān)函數(shù)進行相關(guān)運算，尋找與變形前所取矩形子區(qū)相關(guān)系數(shù)為最大值的以點(x*，y*)為中心的(2M+1)×(2M+1)目標矩形區(qū)域，從而確定參考散斑圖像子區(qū)的整像素位移。

從數(shù)學上建立衡量圖像相似程度的標準，這個標準可選用樣本子區(qū)中與目標子區(qū)的互相關(guān)系數(shù)，一般可定義互相關(guān)系數(shù)為[4]

(1)

式中：X——待求的12個自變量，自變量μ，ν是所選樣本子區(qū)中心點的位移，其余自變量為位移的一階和二階導數(shù);f(x，y)——樣本子區(qū)中某一點(x，y)的灰度;g(x*，y*)——目標子區(qū)與(x，y)對應的那一點(x*，y*)的灰度，樣本子區(qū)和目標子區(qū)中各點的聯(lián)系由下式表示

(2)

4 試驗驗證

針對箭體殼段結(jié)構(gòu)的地面靜力試驗，引入數(shù)字散斑光學測量方法，對局部較復雜區(qū)域應變、位移等情況的監(jiān)測，以期解決因空間限制無法粘貼應變片，受環(huán)境溫度及應變片靈敏度影響測量結(jié)果，無法獲取全場應變等難題，試驗裝置示意圖如圖 1所示。

測量位置位于兩個艙段連接面。由于被測結(jié)構(gòu)區(qū)域為雙錐形曲面，坐標系選擇上殼段對接面中間點切面為XOY平面，X軸方向水平向右，Y軸方向豎直向上，Z軸由右手定則確定。整個測量歷程為零載荷到使用載荷過程。

使用載荷下Y向位移數(shù)據(jù)如圖 2所示，其中云圖區(qū)域為測量區(qū)域。

由圖2可知，殼段組合體被測兩個區(qū)域的Y向變形并不一致，體現(xiàn)為云圖出現(xiàn)色階跳躍現(xiàn)象，其所測最大位移量為9.63mm。分析對接面兩點的位移歷程曲線可得兩殼段對接面間隙增長情況，即兩點的位移差為9.45-3.8=5.65mm。

從圖 3來看，上殼體測試區(qū)變形較為均勻，且應變較小，均不超過1 000微應變。下殼體區(qū)域由于結(jié)構(gòu)為裝配體，應變分布較為復雜。其中Y向應變分布集中在測試區(qū)域下部，應變不超過1 800微應變，X向應變主要集中在誘餌艙上端框區(qū)域，最大應變不超過4900微應變。

從光學測量的位移和應變分析結(jié)果看，光測數(shù)據(jù)和常規(guī)靜力試驗應變片測量試驗數(shù)據(jù)一致性較好。

5 結(jié)束語

本文針對傳統(tǒng)的箭體殼段結(jié)構(gòu)靜力試驗數(shù)據(jù)測量方法，提出了基于數(shù)字散斑技術(shù)的光學測量方法，該方法與傳統(tǒng)測試方法相比具有明顯優(yōu)勢。

(1)光學測量方法實現(xiàn)了非接觸測量，不再局限于結(jié)構(gòu)形式和空間，能夠獲取復雜表面的全應變場數(shù)據(jù)，并且簡化了傳統(tǒng)測量方法繁瑣的工序，縮短了測量時間，提高了試驗效率。

(2)傳統(tǒng)的電測法受設備限制最多能夠允許500個測量通道，對于大型復雜殼段結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)點的覆蓋性較差，而光學測量方法數(shù)據(jù)更加精細化和全面化，覆蓋了整個掃描到的面場，試驗數(shù)據(jù)和有限元計算結(jié)果能夠相互驗證，從而進一步修正有限元計算結(jié)果，為有限元計算提供數(shù)據(jù)庫儲備。

[1] 王懷文，亢一瀾，謝和平．數(shù)字散斑相關(guān)方法與應用研究進展[J]．力學進展，2005，35(2):195～203．

[2] 李明，張玨，溫茂萍等．數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)及其應用[J]．信息與電子工程，2005．3(1)：36～39．

[3] 郭海鴻，李曉星．非接觸應變測量的數(shù)字散斑相關(guān)方法的研究[J]．現(xiàn)代制造工程，2007， 11：96～98．

[4] Devore J L, Farnum N R．Applied Statistics for Engineers and Scientists． Pacific Grove， Calif.：Duxbury Press ，1999．