數(shù)字圖像技術(shù)在飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1、    數(shù)字圖像技術(shù)在飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)    胡旭摘 要：文章分析了飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)所采用的應(yīng)變計(jì)與位移計(jì)測(cè)量方法的局限性，提出了使用數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)作為補(bǔ)充測(cè)量的方法。詳細(xì)介紹了數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)的原理、特點(diǎn)，從而論證了數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)在飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)以及應(yīng)用的必要性。關(guān)鍵詞：飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)；數(shù)字圖像技術(shù)；應(yīng)用優(yōu)勢(shì)飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)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(chǎng)應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)是一大難點(diǎn)。由于現(xiàn)在比較通行的應(yīng)變計(jì)測(cè)量法對(duì)該試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的達(dá)成具有一定的局限性，我們便將數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)引入試驗(yàn)測(cè)量中，很好地解決了這一問

2、題。1 數(shù)字圖像技術(shù)概述20世紀(jì)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(duì)變形前后的灰度圖像進(jìn)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(cè)量物體變形前后光強(qiáng)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(cè)量中的應(yīng)用也日臻完善。三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)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(cè)量各種新材料測(cè)量等，具有非接觸性、應(yīng)用廣泛、全場(chǎng)測(cè)量、測(cè)量環(huán)境要求不高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)1。2 測(cè)量方法對(duì)比2.1 應(yīng)變計(jì)測(cè)量法在飛機(jī)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度非常重要，可以說強(qiáng)度是結(jié)

3、構(gòu)設(shè)計(jì)的前提條件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性必須經(jīng)過強(qiáng)度試驗(yàn)的驗(yàn)證。在怎樣的應(yīng)力條件下結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生屈曲或失穩(wěn)，屈曲會(huì)首先出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的哪個(gè)部分，這些在設(shè)計(jì)伊始或許都有預(yù)估，但都需試驗(yàn)來證明。因此，這些結(jié)果的驗(yàn)證成了飛機(jī)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度試驗(yàn)的重要研究?jī)?nèi)容?，F(xiàn)在業(yè)內(nèi)比較通用的方法是應(yīng)變計(jì)測(cè)量法，具體方法就是在試件的考核部位正反面的對(duì)稱位置粘貼應(yīng)變計(jì)（如圖1所示，某一壓縮試驗(yàn)的應(yīng)變計(jì)粘貼分布情況），應(yīng)變計(jì)的方向也會(huì)因?yàn)榍l(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(jì)的實(shí)時(shí)測(cè)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(duì)稱位置應(yīng)變計(jì)的測(cè)量曲線方向在某一應(yīng)力條件下發(fā)生了分

4、離，從而判斷試件屈曲的產(chǎn)生。應(yīng)變計(jì)測(cè)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(jì)的粘貼位置是設(shè)計(jì)者預(yù)估的屈曲產(chǎn)生的位置或者是對(duì)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(yàn)者是無法察覺的，這樣就為設(shè)計(jì)缺陷的產(chǎn)生埋下了隱患。（2）應(yīng)變計(jì)所測(cè)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(jì)自身的大小決定的（大約是35 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(jì)就顯得捉襟見肘。（3）如果想了解這個(gè)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(jì)，這樣應(yīng)變計(jì)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)

5、致數(shù)據(jù)誤差增大。（4）應(yīng)變計(jì)的粘貼工作量也比較大，耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)工藝的也有一定的要求，尤其是在一些環(huán)境試驗(yàn)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(cè)量法鑒于對(duì)應(yīng)變計(jì)測(cè)量法的介紹，我們可以了解一下dic的測(cè)量方法，以便對(duì)兩種測(cè)量方法做對(duì)比。三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)物體變形過程中的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的測(cè)量?？蓱?yīng)用于動(dòng)/靜態(tài)拉伸試驗(yàn)、高溫高濕試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)疲勞等試驗(yàn)的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)的測(cè)量。其中圖3就是三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量頭，它由兩臺(tái)成一定夾角的攝像頭和光源組成。兩臺(tái)攝像頭同時(shí)對(duì)試件表面的散斑進(jìn)行拍攝，共同構(gòu)建試

6、件的空間位置信息，從而計(jì)算出試件的位移、應(yīng)變數(shù)據(jù)3。圖4就是試驗(yàn)中的噴涂有散斑的試件。圖5是三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)。我們可以看到，測(cè)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(duì)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(jiǎn)單，易于操作。三維光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)將可見的幅面以系統(tǒng)分辨率為單元細(xì)分百萬級(jí)的像素點(diǎn)。600萬像素的測(cè)量頭可將該幅面分為600萬個(gè)像素點(diǎn)，由若干個(gè)像素點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)測(cè)量區(qū)域。如圖6所示，c區(qū)域?yàn)樵嚰砻娴囊徊糠郑琣區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)像素點(diǎn)，b區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)最小測(cè)量區(qū)域，每一個(gè)可輸出數(shù)據(jù)的測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)即是每個(gè)最小測(cè)量區(qū)域的平均值。以邊長(zhǎng)1 000 mm

7、的幅面為例，最小測(cè)量區(qū)域面積約為4 cm2，相鄰測(cè)量點(diǎn)間距大約0.3 mm，即整個(gè)測(cè)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(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)密集程度和詳細(xì)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(cè)量系統(tǒng)測(cè)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(gè)細(xì)小區(qū)域的位移變化狀態(tài)。3 結(jié)語通過對(duì)比我們可以看到數(shù)字圖像測(cè)量法相對(duì)于應(yīng)變計(jì)測(cè)量法具有全面、便捷、不影響試件力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，而這恰好是應(yīng)變計(jì)測(cè)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(cè)量法相對(duì)應(yīng)變計(jì)測(cè)量法也存在應(yīng)變精度不高的缺點(diǎn)，所以，數(shù)字圖像測(cè)量法在飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中的應(yīng)用是對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)手段的一大補(bǔ)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(xiàn)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(cè)量含缺陷試樣的全場(chǎng)變形j.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2007（z1）：3