宮文然，劉曉華，邵新星，何小元，王智勇

飛行器內(nèi)部區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)非接觸測(cè)試技術(shù)

宮文然1，劉曉華2，邵新星3，何小元3，王智勇1

（1. 北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076；2. 空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100076；3. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京，211189）

為解決石英燈遮擋包圍加熱下的大型結(jié)構(gòu)外表面或結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變梯度較大等復(fù)雜應(yīng)力區(qū)域高溫應(yīng)變場(chǎng)非接觸式測(cè)量問(wèn)題，利用數(shù)字圖像相關(guān)方法和單相機(jī)三維成像原理，結(jié)合熱防護(hù)系統(tǒng)與光路系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，形成能夠放置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的耐高溫小型化數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)囟炔怀^(guò)1300℃的目標(biāo)面進(jìn)行三維變形場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量，已用于艙段結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)局部蒙皮破壞過(guò)程測(cè)量中，為飛行器結(jié)構(gòu)破壞分析和模型驗(yàn)證提供依據(jù)。

數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量方法；單相機(jī)三維成像；飛行器結(jié)構(gòu)內(nèi)部測(cè)量；高溫環(huán)境

0 引 言

新一代中型運(yùn)載火箭采用無(wú)毒、無(wú)污染的大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，擴(kuò)散的燃?xì)饬魑惭鏁?huì)對(duì)箭體結(jié)構(gòu)本身造成輻射熱和瞬時(shí)回流作用，捆綁型火箭噴管數(shù)目的增加擴(kuò)大了這一惡劣環(huán)境。典型的尾段網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)承受發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的輻射、燃?xì)饬骰亓饕约拜S向的力載荷，此外火箭上的各類薄殼結(jié)構(gòu)的防護(hù)罩也會(huì)承受高溫氣流、表面壓力等作用，這類結(jié)構(gòu)都容易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，需要對(duì)這類結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫環(huán)境下的應(yīng)變場(chǎng)分布測(cè)量，為結(jié)構(gòu)損傷破壞模式確定和損傷破壞擴(kuò)展過(guò)程分析提供依據(jù)。

傳統(tǒng)的運(yùn)載火箭研制過(guò)程中，高溫環(huán)境下以接觸式測(cè)量方法為主的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試技術(shù)并不理想，數(shù)據(jù)獲取較少且誤差很大。接觸式應(yīng)變測(cè)量方法難以直接耐受嚴(yán)酷的高溫、振動(dòng)、噪聲環(huán)境，并存在結(jié)構(gòu)表面安裝工藝差異、熱輸出散度大等問(wèn)題。非接觸式的光學(xué)測(cè)量方法為解決極端力熱環(huán)境下應(yīng)變測(cè)試提供了新的途徑。數(shù)字圖像相關(guān)方法是非接觸式光學(xué)測(cè)量方法的最新研究方向，可以避免接觸式測(cè)量所面臨的嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)性、安裝困難、熱輸出等問(wèn)題，并能實(shí)現(xiàn)大面積應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量，在極端環(huán)境實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法研究中已備受關(guān)注。由于數(shù)字圖像相關(guān)（Digital Image Correlation，DIC）方法試驗(yàn)設(shè)備及操作過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低等，在運(yùn)載器結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中，該方法比其他非接觸式測(cè)試方法更具優(yōu)勢(shì)。

針對(duì)火箭尾段蒙皮加筋結(jié)構(gòu)或薄殼結(jié)構(gòu)的防護(hù)罩進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)分布測(cè)量的需求，以及在被石英燈加熱器遮擋包圍的結(jié)構(gòu)地面試驗(yàn)中DIC技術(shù)不易實(shí)現(xiàn)外表面大面積應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量的問(wèn)題，本文尋求一種基于DIC方法的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面或局部關(guān)鍵部位應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量的測(cè)試技術(shù)，把傳統(tǒng)設(shè)備規(guī)模和空間光路需求較大的DIC測(cè)試系統(tǒng)中的單獨(dú)光源、工業(yè)相機(jī)等硬件系統(tǒng)集成為一個(gè)體積較小的獨(dú)立系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)狹小空間和場(chǎng)景的非接觸光學(xué)測(cè)試。由于在某些工況下整個(gè)結(jié)構(gòu)處于高溫承力狀態(tài)，測(cè)試部位也處于高溫狀態(tài)，需對(duì)獨(dú)立的圖像采集硬件系統(tǒng)進(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計(jì)。

綜合考慮測(cè)試范圍、光學(xué)系統(tǒng)搭建空間和測(cè)試精度等因素，本文將設(shè)計(jì)一種分光棱鏡和平面鏡相結(jié)合的單相機(jī)三維成像光路，并搭建基于該成像光路的三維數(shù)字圖像相關(guān)方法圖像采集系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)相應(yīng)采集系統(tǒng)的熱防護(hù)方案，最后集成為耐高溫單相機(jī)小型化3D-DIC設(shè)備，已經(jīng)應(yīng)用于某結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)局部蒙皮破壞過(guò)程測(cè)量中，為新一代中型運(yùn)載火箭局部結(jié)構(gòu)破壞分析和模型驗(yàn)證提供了新的技術(shù)手段。

1 面向極端環(huán)境下的DIC測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 高溫環(huán)境下DIC測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

飛行器飛行過(guò)程中，內(nèi)、外流氣動(dòng)熱環(huán)境、振動(dòng)沖擊環(huán)境十分惡劣，作為DIC技術(shù)測(cè)量對(duì)象的飛行器機(jī)身或承力結(jié)構(gòu)處于不同程度的高溫環(huán)境中，使得DIC測(cè)試技術(shù)在高溫環(huán)境下需解決以下問(wèn)題[1]：a）試驗(yàn)件表面隨機(jī)散斑制作問(wèn)題；b）試驗(yàn)件表面熱輻射、石英燈加熱器強(qiáng)雜光干擾，引起圖像“退相關(guān)”問(wèn)題；c）熱氣流擾動(dòng)引起的圖像畸變問(wèn)題。

高溫散斑制作問(wèn)題，主要利用高溫膠和高溫陶瓷粉末混合噴涂或者等離子噴涂耐高溫材料等方法解決，目前可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)件表面耐受2600 ℃高溫散斑制作[2]；圖像“退相關(guān)”問(wèn)題，通過(guò)窄帶濾波和相應(yīng)帶寬的光源主動(dòng)照明解決，試驗(yàn)件表面溫度在1500 ℃及以下，利用藍(lán)光照明和窄帶藍(lán)光濾波（450 nm左右中心波長(zhǎng)濾波片）的方法減弱熱輻射的影響[3]，在試驗(yàn)件表面更高溫度下，采用紫光照明和紫外線相機(jī)采集圖像，以避免圖像灰度在不同溫度下出現(xiàn)劇烈變化[4]；熱氣流擾動(dòng)問(wèn)題，采用空氣刀或者充保護(hù)氣的方法，獲得畸變較小的圖像，也可通過(guò)在拍攝過(guò)程中增加不變形標(biāo)記物，校正熱空氣引起的誤差[5]。在圖像后處理過(guò)程中，還可以利用多幅圖像平均的方法減少熱氣流所引起的計(jì)算誤差[6]。

結(jié)合DIC測(cè)試技術(shù)在高溫環(huán)境下適用性研究工作和加熱能力等因素，DIC測(cè)試技術(shù)可用于最高溫度2600 ℃的材料級(jí)熱試驗(yàn)中，可用于最高溫度1800 ℃的樣件級(jí)試驗(yàn)中。

對(duì)于艙段級(jí)熱試驗(yàn)，除了解決環(huán)境適用性問(wèn)題，還需要應(yīng)對(duì)石英燈加熱器的包圍遮擋[7]等挑戰(zhàn)。對(duì)DIC測(cè)試技術(shù)的發(fā)展提出了新的需求：一方面發(fā)展能夠透過(guò)石英燈縫隙的耐高溫傳像系統(tǒng)，使得DIC技術(shù)能夠用于飛行器外表面局部區(qū)域的測(cè)量；另一方面發(fā)展防隔熱一體化小型化的DIC測(cè)試設(shè)備，采用從結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行表面蒙皮局部區(qū)域測(cè)量的方案，進(jìn)行飛行器內(nèi)表面或內(nèi)部復(fù)雜應(yīng)力區(qū)的測(cè)量。

同時(shí)飛行器在實(shí)際服役工況下往往經(jīng)受快速變溫過(guò)程，高溫材料熱響應(yīng)歷程、熱響應(yīng)分布、響應(yīng)機(jī)制都與穩(wěn)態(tài)溫變有所區(qū)別?？焖贉刈冞^(guò)程中，受高溫材料熱傳導(dǎo)率、高溫材料厚度、溫變速率等影響，使得高溫材料表面溫度與環(huán)境溫度不一致。由于數(shù)字圖像相關(guān)方法只能測(cè)得被測(cè)物的總變形，無(wú)法分離出熱膨脹引起的虛應(yīng)變及機(jī)械應(yīng)變，需通過(guò)后處理方式根據(jù)溫度場(chǎng)分布及熱膨脹系數(shù)除去虛應(yīng)變，從而獲得機(jī)械熱應(yīng)變，所以在發(fā)展高溫環(huán)境下DIC測(cè)試技術(shù)的同時(shí)，還需發(fā)展與非接觸式測(cè)溫技術(shù)相結(jié)合的溫度場(chǎng)/變形場(chǎng)同步測(cè)試技術(shù)。

1.2 單相機(jī)3D-DIC測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

為了減少數(shù)字圖像硬件成像系統(tǒng)的體積，使相機(jī)數(shù)量同時(shí)滿足三維測(cè)量要求，取代傳統(tǒng)的雙相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)，搭建單相機(jī)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)。單相機(jī)三維成像光路有4種搭建方法[8]，分別為：

a）基于衍射光柵的單相機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用微小物體的測(cè)量，測(cè)試面積不超過(guò)視場(chǎng)面積的1/3。

b）基于雙棱鏡的單相機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的視場(chǎng)范圍由雙棱鏡尺寸和工作距離共同決定，測(cè)試面積不超過(guò)視場(chǎng)面積的1/2。

c）基于平面鏡的單相機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)4個(gè)平面鏡不同位置擺放使得同一個(gè)物體在相機(jī)平面成2個(gè)圖像，取代傳統(tǒng)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)中用2個(gè)相機(jī)成2個(gè)圖像，達(dá)到三維測(cè)量的目的。該系統(tǒng)的測(cè)量范圍與傳統(tǒng)三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)測(cè)量無(wú)異，測(cè)試面積不超過(guò)視場(chǎng)面積的1/2。

d）基于彩色3CCD相機(jī)的全畫幅單相機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要彩色分光儀并結(jié)合彩色3CCD相機(jī)，通過(guò)不同顏色分通道采集圖像達(dá)到三維測(cè)量目的，該系統(tǒng)的測(cè)量范圍與傳統(tǒng)三維數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)無(wú)異，測(cè)量面積可以同視場(chǎng)面積一致。

由于黑白工業(yè)相機(jī)分辨率高于彩色3CCD相機(jī)，且高溫環(huán)境下強(qiáng)雜光影響不同通道顏色分光，難免出現(xiàn)顏色混疊，故選擇基于黑白工業(yè)相機(jī)的前3種方式中的一種。

單相機(jī)3D-DIC測(cè)試技術(shù)已經(jīng)在常溫靜力試驗(yàn)和高速試驗(yàn)中得以應(yīng)用，在高溫試驗(yàn)中，已經(jīng)形成了能與高溫爐配合使用的高溫單相機(jī)3D-DIC測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行材料級(jí)高溫試驗(yàn)[9]。對(duì)于把高溫單相機(jī)3D-DIC測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行硬件集成，并進(jìn)行防隔熱一體化的緊湊型設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)還未見(jiàn)報(bào)道。

單相機(jī)3D-DIC方法除了減少相機(jī)使用數(shù)量從而降低工程使用成本以外，在工程應(yīng)用方面還具有集成設(shè)備后體積比雙目3D-DIC體積小，方便調(diào)節(jié)和標(biāo)定等優(yōu)勢(shì)。目前把單相機(jī)3D-DIC測(cè)試系統(tǒng)集成化、使其成為小體積能夠適用于狹小空間測(cè)試環(huán)境是該技術(shù)方向未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合溫度場(chǎng)/應(yīng)變場(chǎng)同步測(cè)試技術(shù)、非接觸式溫度場(chǎng)測(cè)試技術(shù)、耐高溫傳像技術(shù)等，未來(lái)可以研發(fā)一系列面向地面試驗(yàn)、遙測(cè)等進(jìn)行高溫應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、溫度場(chǎng)/應(yīng)變場(chǎng)同步測(cè)試不同類型的單相機(jī)小型化3D-DIC設(shè)備，擴(kuò)大數(shù)字圖像相關(guān)方法在艙段級(jí)或整彈級(jí)地面試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用范圍，從而為獲取更多有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供技術(shù)支撐。

2 耐高溫單相機(jī)3D-DIC測(cè)試技術(shù)

2.1 單相機(jī)3D-DIC測(cè)試原理及方法

為了實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量，需要采用基于雙相機(jī)立體視覺(jué)方法，圖1為雙相機(jī)立體視覺(jué)原理。圖1中待測(cè)物點(diǎn)分別成像于左相機(jī)焦平面上的1和右相機(jī)焦平面上的2，1和2分別為左右相機(jī)的光心。根據(jù)小孔成像原理，用標(biāo)定靶對(duì)兩個(gè)相機(jī)位置進(jìn)行標(biāo)定，獲取相機(jī)的固有參數(shù)和非固有參數(shù)。所謂固有參數(shù)是根據(jù)小孔成像原理對(duì)相機(jī)圖像的描述，其參數(shù)分別為焦距、主點(diǎn)的位置坐標(biāo)、徑向畸變量。非固有參數(shù)即在標(biāo)定靶所在坐標(biāo)系中相機(jī)的位置參數(shù)，包括平動(dòng)參數(shù)和轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)。根據(jù)所獲取的2個(gè)相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)確定待測(cè)物點(diǎn)分別在左右相機(jī)焦平面的位置，即1和2的位置坐標(biāo)。由于點(diǎn)位于11和22的延長(zhǎng)線的交點(diǎn)上，點(diǎn)位置可以根據(jù)1和2的位置確定。對(duì)待測(cè)物體表面中的多個(gè)點(diǎn)重復(fù)上述過(guò)程，可以得到若干個(gè)空間點(diǎn)坐標(biāo)，從而用這些空間點(diǎn)坐標(biāo)直接構(gòu)成或經(jīng)曲面擬合后構(gòu)成三維形貌。

圖1 雙相機(jī)立體視覺(jué)系統(tǒng)示意

單相機(jī)三維成像原理如圖2所示，被測(cè)物表面的光反射到1和4兩個(gè)平面鏡上，1和4反射出的光線分別反射到雙棱鏡上兩個(gè)面2和3上。雙棱鏡把1和4反射出的光線經(jīng)過(guò)感光鏡頭后分別在傳感器平面上真實(shí)成像，在圖像傳感器所呈現(xiàn)圖像為 2個(gè)，被測(cè)物經(jīng)過(guò)1平面鏡反射的光成“左圖像”，被測(cè)物經(jīng)過(guò)4平面鏡反射的光成“右圖像”。把所采集的含有左右2個(gè)部分的圖像分開成2張圖片，即把“左圖像”中的右側(cè)圖像部分視為無(wú)，相當(dāng)于雙相機(jī)立體視覺(jué)系統(tǒng)中左相機(jī)所采集的圖；把“右圖像”中的左側(cè)圖像部分視為無(wú)，相當(dāng)于雙相機(jī)立體視覺(jué)系統(tǒng)中右相機(jī)所采集的圖，從而實(shí)現(xiàn)單相機(jī)三維測(cè)量。

圖2 單相機(jī)雙目視覺(jué)光路設(shè)計(jì)示意

三維數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)就是利用雙相機(jī)立體視覺(jué)原理，確定測(cè)量區(qū)域中每個(gè)子區(qū)的中心點(diǎn)變形前和變形后的三維坐標(biāo)，變形前后空間坐標(biāo)之差即為所求三維位移。根據(jù)計(jì)算出來(lái)的位移場(chǎng)，通過(guò)局部最小二乘擬合方法計(jì)算出應(yīng)變場(chǎng)[10]。

2.2 設(shè)備光路及熱防護(hù)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量，需要基于雙目視覺(jué)原理，傳統(tǒng)采用雙鏡頭方法，但考慮到空間限制和校準(zhǔn)系統(tǒng)的難度，采用光學(xué)鏡片搭建分光路與單鏡頭結(jié)合的方式。本設(shè)備采用雙棱鏡分光和左、右平面鏡反射相結(jié)合的方式。

為了解決高溫?zé)彷椛湓斐傻膱D像“退相關(guān)”問(wèn)題，同時(shí)為達(dá)到反射熱環(huán)境中的紅光以隔絕熱輻射、降低成像相機(jī)溫度的目的，反射式濾鏡覆蓋整個(gè)鏡頭前端，該濾鏡僅透過(guò)波長(zhǎng)為450～550 nm的可見(jiàn)光，常溫、高溫環(huán)境下的透光率為92%。LED光源為中心波長(zhǎng) 450 nm的藍(lán)光光源，LED光源置于2組反射鏡中間，并與2組反射鏡的進(jìn)光孔進(jìn)行分離，從而避免了濾鏡逆向反射引起的光污染問(wèn)題。

熱防護(hù)系統(tǒng)由水冷防護(hù)和氣冷防護(hù)系統(tǒng)組成。成像系統(tǒng)進(jìn)行水冷防護(hù)，在水冷夾層中增加氮?dú)夤埽瑢?duì)反射鏡和前度反射式濾鏡部分進(jìn)行局部降溫。成像系統(tǒng)與熱防護(hù)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，鏡筒為矩形結(jié)構(gòu)，同時(shí)將水冷外殼與鏡筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，從而避免了設(shè)備漏水問(wèn)題。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)備能夠適用于目標(biāo)面最高1300 ℃的環(huán)境，設(shè)備最終尺寸為：130 mm×125 mm× 90 mm。所設(shè)計(jì)的樣機(jī)如圖3所示，該設(shè)備的工作距離為100 mm，測(cè)量面積為50 mm×50 mm。

圖3 耐高溫單相機(jī)3D-DIC樣機(jī)

2.3 單相機(jī)3D-DIC測(cè)試過(guò)程

首先，把耐高溫單相機(jī)3D-DIC設(shè)備放置到距離被測(cè)物100 mm處，水平調(diào)節(jié)設(shè)備的位置使得被測(cè)物在設(shè)備所呈現(xiàn)的2幅圖中央后固定設(shè)備。

其次，選擇合適尺寸的平板棋盤格或者平板圓點(diǎn)標(biāo)定板進(jìn)行設(shè)備的標(biāo)定，標(biāo)定過(guò)程如下：a）采集標(biāo)定板平移、平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)以及面外轉(zhuǎn)動(dòng)的一系列圖像； b）把所采集的一張圖片分為左右2個(gè)部分，把含有左右2個(gè)部分的圖像分開成2張圖片；c）把分左、右成像的圖片進(jìn)行標(biāo)定運(yùn)算，確定測(cè)量裝置的標(biāo)定參數(shù)，以完成標(biāo)定程序。

然后，利用設(shè)備采集未加載和加載過(guò)程中的一系列圖片，用于進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)運(yùn)算。

最后，把所采集的圖像通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)算法，進(jìn)行變形場(chǎng)計(jì)算，具體步驟如下：a）把采集的一張被測(cè)物未加載狀態(tài)下的圖像作為初始圖像，然后把被測(cè)物不同溫度下采集的一系列圖像作為變形圖像；b）把所采集的含有左右2個(gè)部分的圖像分開成2張圖片，即把左圖像中的右側(cè)圖像部分視為無(wú)；把右圖像中的左側(cè)圖像部分視為無(wú)；c）根據(jù)標(biāo)定參數(shù)，把分左、右成像的圖片進(jìn)行圖像重構(gòu)運(yùn)算和位移場(chǎng)運(yùn)算；d）根據(jù)位移場(chǎng)通過(guò)局部最小二乘擬合法計(jì)算出應(yīng)變場(chǎng)。

2.4 常溫精度驗(yàn)證

利用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分級(jí)加載，載荷級(jí)別為14級(jí)，試驗(yàn)件為合金一體四點(diǎn)彎梁，如圖4所示，背面中間下邊緣處粘貼應(yīng)變片，用以標(biāo)定單相機(jī)3D-DIC設(shè)備的精度。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)件純彎段的尺寸為20 mm×50 mm，設(shè)備正對(duì)試驗(yàn)件，與試驗(yàn)件的距離為100 mm，設(shè)備的測(cè)試分辨率為1280 pixels×1920 pixels，設(shè)備視場(chǎng)面積為50 mm×50 mm。

圖4 帶隨機(jī)散斑的四點(diǎn)彎試驗(yàn)件

14級(jí)載荷時(shí)，應(yīng)變片數(shù)值為1500μ，DIC設(shè)備所測(cè)量的應(yīng)變場(chǎng)如圖5所示，沿梁長(zhǎng)度方向的應(yīng)變場(chǎng)分布呈上表面受彎、下表面受拉的狀態(tài)，且上下表面的應(yīng)變數(shù)值絕對(duì)值為1500μ。DIC設(shè)備與應(yīng)變片測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖6所示，經(jīng)對(duì)比DIC設(shè)備的測(cè)量值與應(yīng)變片數(shù)值的最大相對(duì)誤差值為59μ。

圖5 第14級(jí)載荷下橫向應(yīng)變場(chǎng)分布

圖6 單相機(jī)3D-DIC設(shè)備測(cè)量值與應(yīng)變片數(shù)據(jù)對(duì)比

2.5 使用溫度極限驗(yàn)證

為測(cè)試1300 ℃輻射加熱下耐高溫單相機(jī)3D-DIC設(shè)備可適用的目標(biāo)面溫度，通過(guò)改性C/C板熱膨脹試驗(yàn)，采用石英燈單面加熱的方式，在加熱面使用點(diǎn)溫儀控溫，試驗(yàn)件表面加熱的最高溫度為1300 ℃，從400 ℃開始，間隔300 ℃采集20張圖像，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖7。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖8為利用耐高溫單相機(jī)3D-DIC設(shè)備在不同溫度下所測(cè)得的熱膨脹引起的虛應(yīng)變，并給出了測(cè)得的沿試件長(zhǎng)度方向的虛應(yīng)變?cè)茍D。從圖8中可以看出應(yīng)變場(chǎng)分布中間部分比較均勻，噪點(diǎn)較少，邊緣受過(guò)曝光斑點(diǎn)等影響導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確，同時(shí)邊緣部分散斑區(qū)域散斑點(diǎn)過(guò)少也導(dǎo)致邊緣計(jì)算精度較差。在1300 ℃時(shí)，熱膨脹引起的虛應(yīng)變約為2300μ。

圖8 不同溫度下應(yīng)變場(chǎng)分布

3 結(jié)構(gòu)內(nèi)部復(fù)雜應(yīng)力區(qū)高溫應(yīng)變場(chǎng)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)方法及過(guò)程

由于艙段結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)采用石英燈環(huán)繞加熱，為測(cè)量艙段結(jié)構(gòu)金屬蒙皮某危險(xiǎn)部位的高溫應(yīng)變場(chǎng)分布，利用小型化DIC設(shè)備從艙段結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行該危險(xiǎn)部位的變形場(chǎng)及應(yīng)變場(chǎng)分布測(cè)量。設(shè)備距離測(cè)量目標(biāo)面100 mm，圖像的分辨率為20.9 pixels/mm。在進(jìn)行測(cè)試之前，對(duì)小型化DIC設(shè)備進(jìn)行相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定，本文采用間距為4 cm的圓點(diǎn)標(biāo)定靶進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)過(guò)程中，圖像采集頻率為1 Hz，圖像采集時(shí)間為300 s，在該采集時(shí)間內(nèi)被測(cè)區(qū)域最高溫度為190 ℃，所采集的圖像、分析區(qū)域（紅色區(qū)域）及所建立的局部坐標(biāo)系方向如圖9中所示。為防止直接在被測(cè)區(qū)域粘貼接觸式熱電偶影響測(cè)量區(qū)域的散斑制作，利用熱電偶測(cè)量該區(qū)域附近的溫度變化。因?yàn)樵摻饘賹?dǎo)熱良好，被測(cè)區(qū)域與附近區(qū)域的溫度變化不大，故利用被測(cè)區(qū)域附近的溫度近似代替直接測(cè)量該區(qū)域溫度。

以未加熱時(shí)刻所采集的圖像作為初始狀態(tài)與加熱后所采集圖像做相關(guān)運(yùn)算分析，由于數(shù)字圖像子區(qū)大小對(duì)數(shù)字圖像相關(guān)運(yùn)算的精度有所影響，通過(guò)對(duì)選擇不同子區(qū)大小計(jì)算精度的比較，選擇的子區(qū)大小為21 pixels，計(jì)算步長(zhǎng)為7 pixels。

圖9 顯示計(jì)算區(qū)域的散斑圖像

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在300 s采集時(shí)間內(nèi)，所獲得的區(qū)域中心點(diǎn)位置離面位移隨時(shí)間變化和該區(qū)域溫度隨時(shí)間變化曲線如圖10所示，從離面位移隨時(shí)間變化曲線中可以看出位移曲線出現(xiàn)2個(gè)拐點(diǎn)，拐點(diǎn)1為位移從負(fù)跳躍至正向的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)2為離面位移急劇增加到正向最大的拐點(diǎn)。

圖10 位移、溫度隨時(shí)間變化曲線

拐點(diǎn)1、拐點(diǎn)2時(shí)刻的離面位移場(chǎng)分布如圖11所示，從圖11中可以看出明顯的局部屈曲現(xiàn)象。根據(jù)位移場(chǎng)分布和位移隨時(shí)間變化曲線變化特點(diǎn)，確定該變形為幾何大變形情況之一，選擇拉格朗日大應(yīng)變計(jì)算公式進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)計(jì)算，應(yīng)變場(chǎng)分布如圖12所示。

圖11 不同時(shí)刻離面位移場(chǎng)分布

圖12 不同時(shí)刻沿X軸方向應(yīng)變場(chǎng)分布

4 結(jié)束語(yǔ)

利用數(shù)字圖像相關(guān)方法和單相機(jī)三維成像原理，結(jié)合熱防護(hù)系統(tǒng)與光路系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，形成了能夠置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部或局部區(qū)域的耐高溫小型化數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)試設(shè)備。本文中所設(shè)計(jì)的防隔熱一體化3D-DIC小型化設(shè)備，在工作距離為100 mm的情況下，能夠?qū)Ρ粶y(cè)物表面溫度從常溫到1300 ℃的50 mm×50 mm區(qū)域進(jìn)行高溫應(yīng)變場(chǎng)分布測(cè)量，可解決新一代運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)蒙皮或應(yīng)力梯度較大地區(qū)的熱應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量問(wèn)題。在某艙段結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)中，該設(shè)備成功測(cè)量了局部蒙皮從開始加載直至破壞過(guò)程中的應(yīng)變場(chǎng)及變形場(chǎng)分布變化情況，可廣泛應(yīng)用于包含運(yùn)載火箭在內(nèi)的各類飛行器高溫承載結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)或地面試驗(yàn)中。未來(lái)結(jié)合非接觸溫度場(chǎng)測(cè)試，還有望發(fā)展形成面向地面和遙測(cè)試驗(yàn)的溫度場(chǎng)/應(yīng)變場(chǎng)同步測(cè)試技術(shù)和產(chǎn)品。

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Measurement of Strain Maps on Interior Field of Aerospace Structures using Noncontact Method

GONG Wenran1, LIU Xiaohua2, SHAO Xinxing3, HE Xiaoyuan3, WANG Zhiyong1

(1. Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076; 2. Science and Technology on Space Physics Laboratory, Beijing, 100076; 3. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, 211189)

In order to investigate the non-contact measurement of thermal strain field in complex stress area such as the outer surface of aerospace structure or large internal strain gradient under quartz lamp heating, using digital imaging correlation method and single-camera stereovision principle, combined with the integrated design of thermal protection system and stereovision system, a miniaturized equipment is developed and used to measure the 3D deformation field and strain field of the target surface with the temperature up to 1300℃. It has been applied in the measurement of local deformation field and strain field for aerospace skin during the aerospace structure failure process under the high temperature. All the above research work would provide a technical support for the analysis of structure failure and model verification of the structure for aircrafts.

digital image correlation method; single-camera stereovision; internal area measurement of aerospace structure; high temperature environment

1004-7182(2023)02-0102-07

10.7654/j.issn.1004-7182.20230220

V1

A

2022-03-24；

2023-02-22

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（12272093）

宮文然（1986-），女，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)力熱試驗(yàn)與分析技術(shù)。

劉曉華（1985-），女，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

邵新星（1991-），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)楣鉁y(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)。

何小元（1956-），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣鉁y(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)。

王智勇（1975-），男，研究員，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)熱試驗(yàn)技術(shù)。