胡旭

摘 要：文章分析了飛機強度試驗所采用的應(yīng)變計與位移計測量方法的局限性，提出了使用數(shù)字圖像測量技術(shù)作為補充測量的方法。詳細介紹了數(shù)字圖像測量技術(shù)的原理、特點，從而論證了數(shù)字圖像測量技術(shù)在飛機強度試驗測量中的優(yōu)勢以及應(yīng)用的必要性。

關(guān)鍵詞：飛機強度試驗；數(shù)字圖像技術(shù)；應(yīng)用優(yōu)勢

飛機強度試驗的試件類型很多，其中結(jié)構(gòu)件的占比很大。要全面獲取結(jié)構(gòu)件在應(yīng)力作用下全場應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)是一大難點。由于現(xiàn)在比較通行的應(yīng)變計測量法對該試驗?zāi)繕说倪_成具有一定的局限性，我們便將數(shù)字圖像測量技術(shù)引入試驗測量中，很好地解決了這一問題。

1 數(shù)字圖像技術(shù)概述

20世紀80年代，美、日科學(xué)家提出了數(shù)字圖像的相關(guān)算法。通過對變形前后的灰度圖像進行相關(guān)迭代找到相關(guān)系數(shù)的極值，從而得到物體的位移值；或者測量物體變形前后光強的相關(guān)峰值從而推導(dǎo)出物體的位移。隨著數(shù)字圖像技術(shù)（Digital Image Technology，DIC）的不斷發(fā)展，其在三維光學(xué)應(yīng)變測量中的應(yīng)用也日臻完善。三維光學(xué)應(yīng)變測量已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各科學(xué)領(lǐng)域，如材料力學(xué)、斷裂力學(xué)、微觀納米應(yīng)變測量各種新材料測量等，具有非接觸性、應(yīng)用廣泛、全場測量、測量環(huán)境要求不高、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點[1]。

2 測量方法對比

2.1 應(yīng)變計測量法

在飛機設(shè)計中，結(jié)構(gòu)強度非常重要，可以說強度是結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性必須經(jīng)過強度試驗的驗證。在怎樣的應(yīng)力條件下結(jié)構(gòu)會發(fā)生屈曲或失穩(wěn)，屈曲會首先出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的哪個部分，這些在設(shè)計伊始或許都有預(yù)估，但都需試驗來證明。因此，這些結(jié)果的驗證成了飛機結(jié)構(gòu)件強度試驗的重要研究內(nèi)容。

現(xiàn)在業(yè)內(nèi)比較通用的方法是應(yīng)變計測量法，具體方法就是在試件的考核部位正反面的對稱位置粘貼應(yīng)變計（如圖1所示，某一壓縮試驗的應(yīng)變計粘貼分布情況），應(yīng)變計的方向也會因為屈曲發(fā)生的不可預(yù)知性而更加多樣。

在應(yīng)力的作用下，通過觀察有關(guān)聯(lián)的應(yīng)變計的實時測量曲線的走向來判斷試件是否發(fā)生屈曲或者應(yīng)力集中的區(qū)域。如圖2所示，可以看到對稱位置應(yīng)變計的測量曲線方向在某一應(yīng)力條件下發(fā)生了分離，從而判斷試件屈曲的產(chǎn)生。

應(yīng)變計測量法具有一定的局限性，具體表現(xiàn)為：

（1）無法整體反映試件屈曲的情況。由于應(yīng)變計的粘貼位置是設(shè)計者預(yù)估的屈曲產(chǎn)生的位置或者是對屈曲比較敏感的位置，具有一定的不確定性，所以一旦沒有粘貼應(yīng)變片的位置發(fā)生屈曲試驗者是無法察覺的，這樣就為設(shè)計缺陷的產(chǎn)生埋下了隱患。

（2）應(yīng)變計所測量的應(yīng)變數(shù)據(jù)是試件表面一定面積的應(yīng)變值的平均值，這是由應(yīng)變計自身的大小決定的（大約是3～5 cm2），所以如果想了解更小區(qū)域的具體應(yīng)變值的話，應(yīng)變計就顯得捉襟見肘。

（3）如果想了解這個面的整體屈曲情況就需要在試件表面粘貼大量的應(yīng)變計，這樣應(yīng)變計的粘貼必然在一定程度上影響試件本身的應(yīng)力狀態(tài)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差增大。

（4）應(yīng)變計的粘貼工作量也比較大，耗時長，對工藝的也有一定的要求，尤其是在一些環(huán)境試驗中，更是要求操作者具備相當(dāng)專業(yè)的粘貼技巧[2]。

2.2 數(shù)字圖像測量法

鑒于對應(yīng)變計測量法的介紹，我們可以了解一下DIC的測量方法，以便對兩種測量方法做對比。

三維光學(xué)應(yīng)變測量技術(shù)就是數(shù)字圖像技術(shù)的具體的應(yīng)用，它是通過追蹤噴涂在物體表面的散斑圖像，實現(xiàn)對物體變形過程中的三維坐標、位移及應(yīng)變的測量?？蓱?yīng)用于動/靜態(tài)拉伸試驗、高溫高濕試驗和動態(tài)疲勞等試驗的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)的測量。

其中圖3就是三維光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)的測量頭，它由兩臺成一定夾角的攝像頭和光源組成。兩臺攝像頭同時對試件表面的散斑進行拍攝，共同構(gòu)建試件的空間位置信息，從而計算出試件的位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)[3]。圖4就是試驗中的噴涂有散斑的試件。

圖5是三維光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)在現(xiàn)場測量試驗。我們可以看到，測量的過程儀器和試件沒有接觸，唯一需要做的就是給試件表面噴涂散斑，這對試件的應(yīng)力特征沒有任何的影響，而且散斑的噴涂過程比較簡單，易于操作。

三維光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)將可見的幅面以系統(tǒng)分辨率為單元細分百萬級的像素點。600萬像素的測量頭可將該幅面分為600萬個像素點，由若干個像素點構(gòu)成一個測量區(qū)域。如圖6所示，C區(qū)域為試件表面的一部分，A區(qū)域為一個像素點，B區(qū)域為一個最小測量區(qū)域，每一個可輸出數(shù)據(jù)的測量點的數(shù)據(jù)即是每個最小測量區(qū)域的平均值。以邊長1 000 mm的幅面為例，最小測量區(qū)域面積約為4 cm2，相鄰測量點間距大約0.3 mm，即整個測量區(qū)域內(nèi)每隔0.3 mm便可輸出一組應(yīng)變或位移數(shù)據(jù)，這相較于應(yīng)變計測量數(shù)據(jù)密集程度和詳細程度已經(jīng)超出太多。

圖7是一塊鉚接板在拉伸狀態(tài)下三維光學(xué)應(yīng)變測量系統(tǒng)測量到的面外位移云圖，我們可以清晰而全面地看到鉚接板每一個細小區(qū)域的位移變化狀態(tài)。

3 結(jié)語

通過對比我們可以看到數(shù)字圖像測量法相對于應(yīng)變計測量法具有全面、便捷、不影響試件力學(xué)性能等優(yōu)點，而這恰好是應(yīng)變計測量法的短板。當(dāng)然，就現(xiàn)有的技術(shù)發(fā)展水平而言，數(shù)字圖像測量法相對應(yīng)變計測量法也存在應(yīng)變精度不高的缺點，所以，數(shù)字圖像測量法在飛機強度試驗中的應(yīng)用是對現(xiàn)有試驗手段的一大補充和提升，極大地豐富了數(shù)據(jù)種類和分析手段。

[參考文獻]

[1]潘兵，謝惠民，續(xù)伯欽，等.應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)方法測量含缺陷試樣的全場變形[J].實驗力學(xué)，2007（Z1）：379-384.

[2]周倫彬.逆向非接觸測量技術(shù)淺析[J].中國測試技術(shù)，2005（5）：25-27.

[3]代祥俊，蒲琪，楊保亮，等.數(shù)字圖像相關(guān)法在材料力學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].工程與試驗，2009（4）：37-39.