鄭榮田，李 輝2，張 波，蘇麗芳

(1.西安航天復合材料研究所，西安 710025；2.火箭軍裝備部駐西安第一代表室，西安 710025)

在研究各種材料本構(gòu)關(guān)系的試驗過程中,實時應(yīng)變的測量方法很多,總體上可分為兩種，接觸式和非接觸式。而對于一些高分子材料、纖細柔性材料和溫度場中材料的試驗來說, 接觸式應(yīng)變測量存在定位困難、操作復雜等問題。散斑測量種類繁多,如散斑干涉可以測量物體的位移、應(yīng)變和振動等，其優(yōu)點是測量范圍大、精度高,光路較簡單,一般不需隔振臺,對光源功率要求低，缺點是要求有相干光,儀器方面實現(xiàn)起來會有一定的不便;另外，還有白光散斑測量,該方法是人為地在物體表面上制造隨機分布的散斑,如在物體表面噴涂玻璃微珠、銀粉漆或在白的背景上噴黑斑點，以及在透明物體內(nèi)部混入微小顆粒等。當物體受力變形時,被白光照射的散斑僅隨物體表面一起運動,然后得到散斑點的變化情況,從而測量出位移、實時應(yīng)變等[1]。目前白光散斑法已在位移、振動和曲表面變形的測量中得到應(yīng)用,其特點是簡單易行,是一種具有發(fā)展前途的新方法。使用電測法進行測試時，只能對殼體局部很小的面積進行測試，且只能進行點測，特別是筒身段，現(xiàn)技術(shù)驗收條件提出筒身段應(yīng)變不得大于某個固定值，而該方法無法說明整個筒身段的應(yīng)變最大值，殼體的其他部位同理無法找出應(yīng)變最大點或關(guān)鍵點。而采用光學非接觸式應(yīng)變測試法，一次的量測可獲得大范圍的應(yīng)變場數(shù)據(jù)分布，應(yīng)變集中區(qū)域很容易被突顯出來，而且對應(yīng)變測點無需打磨、不損傷纖維，這是傳統(tǒng)應(yīng)變測試方法所做不到的。鑒于接觸式應(yīng)變位移測量方法的局限性，筆者探討了一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的非接觸應(yīng)變位移測試方法——數(shù)字散斑相關(guān)方法在纖維纏繞殼體內(nèi)壓結(jié)構(gòu)強度試驗中的應(yīng)用。

1 相關(guān)測量原理

測量原理為：以CCD(電荷耦合器件)數(shù)字攝相機或高速相機，獲得對象表面在形變過程的連續(xù)圖像，并對對象表面的灰階特征(speckle pattern)及三維坐標定位，精確地計算出x,y,z3個軸向的全場位移分布及應(yīng)變分布，追蹤試片表面的特征點以獲得位移場，位移場的梯度即是應(yīng)變場。

圖1 圖像相關(guān)測量系統(tǒng)配置

測量系統(tǒng)也可由多組相機拼接，以全面多角度獲取物體表面的信息，實現(xiàn)一次測量360°而建立物體的三維模型。由2個相機組成的圖像相關(guān)測量系統(tǒng)配置如圖1所示，系統(tǒng)的CCD 將光強信號轉(zhuǎn)換成視頻信號[2]，兩路CCD 信號連接到視頻信號切換器，利用視頻信號切換器可將兩路信號來回切換，并把所需信號送入圖形采集卡，視頻信號由圖像采集卡進行A/D(模擬/數(shù)字) 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字灰圖像存儲在幀存器中，由計算機進行相關(guān)運算，計算出標記的位移和試件應(yīng)變值。

2 試驗系統(tǒng)的建立

試驗系統(tǒng)主要包括：UCAM500A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(用于標準容器的應(yīng)變采集)；85 MPa加載系統(tǒng)(用于標準容器的加載)；XJTUDIC三維數(shù)字散斑動態(tài)應(yīng)變測量分析系統(tǒng)；Vic-3D非接觸式全場形變測量系統(tǒng)。試驗容器為纖維纏繞150殼體、纖維纏繞480殼體。

3 對比試驗過程及結(jié)果分析

3.1 纖維纏繞殼體表面的處理及系統(tǒng)的標定

針對光學應(yīng)變測試系統(tǒng)對被測產(chǎn)品表面的要求，采用兩種方式對纖維纏繞殼體進行了表面處理[3]，分別為:在白基色上加上輕微噴灑的、大小不均的黑點(見圖2);使用廠家提供的記號筆在產(chǎn)品表面進行標記(見圖3)。

圖2 自噴漆涂層的表面

圖3 特制記號筆進行標記的表面

散斑技術(shù)測量應(yīng)變系統(tǒng)使用標定板進行標定(見圖4)，再利用軟件進行三維校準。

圖4 使用標定板對系統(tǒng)進行標定

3.2 纖維纏繞殼體應(yīng)變測試對比試驗及結(jié)果

對150纖維纏繞殼體分別采用XJTUDIC系統(tǒng)及Vic-3D光學應(yīng)變測量系統(tǒng)進行了兩次試驗，在內(nèi)壓加載試驗過程中，同時使用傳統(tǒng)電測法和光學非接觸法應(yīng)變測試，測試部位見圖5。采用XJTUDIC系統(tǒng)時，對表面使用自噴漆涂層，試驗結(jié)果見表1。采用Vic-3D系統(tǒng)時，對表面使用特制記號筆涂層，試驗結(jié)果見表2。

圖5 殼體應(yīng)變測點及光學應(yīng)變檢測區(qū)域

表1 XJTUDIC系統(tǒng)非接觸法與應(yīng)變片法檢測150纖維纏繞殼體筒段的微應(yīng)變(με)數(shù)據(jù)

由表2可見，3號數(shù)據(jù)明顯偏大，初步分析認為是此部位的膠層開裂引起了數(shù)據(jù)的跳變。下面以應(yīng)變片所測實際值(真值)為基準[4]，對上述試驗光學非接觸式應(yīng)變測試系統(tǒng)所測應(yīng)變數(shù)據(jù)的絕對誤差和相對誤差進行分析，計算方法如式(1)，(2)所示,具體結(jié)果見表3。

表3 應(yīng)變片與光學非接觸應(yīng)變測量的微應(yīng)變(με)結(jié)果與誤差

Ea=x-μ0

(1)

(2)

式中：Ea，Er分別為絕對誤差和相對誤差；x為測量值；μ0為真值。

由表3可知，數(shù)據(jù)91.89%在一組測量值中明顯偏大，這樣的測量值稱為離群值或可疑值，其已超出隨機誤差的限度，屬于異常值，應(yīng)該舍去。 所得的相對誤差范圍為0.29%～9.7%，與筆者在日常工作中使用應(yīng)變片所測纖維纏繞殼體所得數(shù)據(jù)一致，符合在同一環(huán)向的變化規(guī)律。

3.3 光學應(yīng)變測量系統(tǒng)對纖維纏繞殼體封頭部位的全場應(yīng)變測試及結(jié)果

采用XJTUDIC光學應(yīng)變測量系統(tǒng)對480纖維纏繞殼體封頭部位進行了全場對比試驗，表面處理使用自噴漆，具體位置見圖6。最高進行了7 MPa的水壓試驗，XJTUDIC光學應(yīng)變測量系統(tǒng)所測最大主應(yīng)變見表4。圖7，8分別為XJTUDIC光學應(yīng)變測量系統(tǒng)所測480纖維纏繞殼體在3.5 MPa，7 MPa下的應(yīng)變云圖。

表4 光學散斑所測480纖維纏繞殼體的最大主應(yīng)變數(shù)據(jù) %

圖6 480纖維纏繞殼體應(yīng)變測點及光學應(yīng)變測試區(qū)域

圖7 480纖維纏繞殼體在3.5 MPa下的應(yīng)變云圖

圖8 480纖維纏繞殼體在7 MPa下的應(yīng)變云圖

測試部位為橢球面，由表4可直接得出此部位的最大主應(yīng)變，從圖7，8可以全面地了解所測面積內(nèi)的應(yīng)變，可以看出非接觸光學應(yīng)變測試方法具有非接觸式、全場測量、多樣性數(shù)據(jù)輸出等優(yōu)點，對于纖維纏繞殼體同時還存在著試驗后殼體表面難清理等缺點。

4 結(jié)語

通過檢測結(jié)果可以看出，采用噴涂制作散斑的方法具有測量面積較大的優(yōu)點，但在試驗后纖維纏繞殼體表面清理較困難，記號筆點畫法制作散斑的方法可以靈活地在關(guān)鍵區(qū)域進行測量，相對易清理。與傳統(tǒng)的應(yīng)變片電測法相比，光學非接觸式應(yīng)變測量方法具有可全場測量、測量范圍寬的優(yōu)勢，經(jīng)試驗及數(shù)據(jù)分析證實了光學非接觸式應(yīng)變測試方法應(yīng)用于纖維纏繞殼體內(nèi)壓結(jié)構(gòu)強度試驗的可行性。