曾小虎　李贊澄

【摘 要】基于某民機結構強度試驗室，探討了數(shù)字圖像相關方法與傳統(tǒng)應變測試方法的優(yōu)缺點，論證了數(shù)字圖像相關方法在民機結構強度試驗中的必要性，并提出了數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)的設計方案以滿足該民機強度試驗室多樣化測量需求。

【關鍵詞】民機；結構強度試驗室；數(shù)字圖像相關方法

0 引言

結構強度試驗是民機結構設計研發(fā)過程中必不可少的基本條件之一，從結構選材到性能驗證整個漫長的研發(fā)過程中，大量材料、元件、組件、部件的選用和設計都離不開試驗的支持和驗證。而隨著我國民機事業(yè)的蓬勃發(fā)展，民機的結構、受載狀態(tài)越來越復雜，民機結構強度試驗對應變測試技術和測試方法也提出了更高的要求，如三維應變場測試問題、測試系統(tǒng)的抗電磁干擾問題以及接觸測量所導致的被測對象動態(tài)特性的變化問題等，致使傳統(tǒng)的測試方法難以達到理想的測試效果。

因此，數(shù)字圖像相關方法以其全場測量、非接觸等優(yōu)勢得到了極大的關注[1]。近年來，數(shù)字圖像相關方法發(fā)展迅速，已經(jīng)成功地應用于各種材料的力學行為測試、動態(tài)測量、斷裂力學分析等方面中。本文以某民機結構強度試驗室為例，探討了數(shù)字圖像相關方法與傳統(tǒng)應變測試方法的優(yōu)缺點，論證了數(shù)字圖像相關方法在民機結構強度試驗中的必要性。

1 數(shù)字圖像相關方法介紹

1.1 數(shù)字圖像相關方法簡介

數(shù)字圖像相關方法（Digital Image Correlation），是一種基于數(shù)字攝影技術與數(shù)字圖像處理技術的非接觸式光學測量方法，也稱為數(shù)字散斑相關方法，簡稱DIC方法。這種方法主要用于測量在外載荷或者其他因素作用下材料或者結構的變形場。它是圖像處理與識別技術、現(xiàn)代先進光電技術以及計算機技術相結合的產(chǎn)物，是現(xiàn)代光測力學領域的研究熱點。

1.2 數(shù)字圖像相關方法基本原理[2]

數(shù)字圖像相關方法通過處理不同狀態(tài)下試件表面的兩幅數(shù)字圖像，獲取需求像素點的位移信息，并利用變形前后圖像的散斑灰度特征建立對應關系。然后依據(jù)這種對應關系，在變形前后圖像上尋找對應點，最終得到所求位移值。其中，變形前、后的圖像分別稱為參考圖像和目標圖像?；驹硎疽鈭D如圖1所示：

符號<>表示矩陣元素的平均值。當C=1時，表示兩個子區(qū)域完全相關；C=0時，表示兩個子區(qū)域毫無相關。采用數(shù)字圖像相關方法進行計算時，通常將參考圖像中待計算區(qū)域以虛擬網(wǎng)格形式進行劃分，然后計算每個網(wǎng)格節(jié)點的位移，從而得出全場位移。

2 數(shù)字圖像相關方法與傳統(tǒng)應變測試方法對比

2.1 傳統(tǒng)應變測試方法

傳統(tǒng)的應變測試方法是應變電測法。通過應變電測法進行應變測量是對工程結構件設計、制造和裝配的可靠性以及安全性進行測試、分析和評估的常用手段，目前已廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶等工程領域。圖2所示為應變電測法在航空領域的應用。

應變電測法首先通過粘貼于試件表面的電阻應變片進行應變測量，并繪制應力—應變曲線，再根據(jù)該曲線確定試件的表面應力狀態(tài)，從而進行試驗應力分析。測量流程如圖3所示：

2.2 數(shù)字圖像相關方法與傳統(tǒng)應變測試方法對比分析

對于現(xiàn)代民機結構強度試驗的應變測量，一般有兩種方法：接觸式和非接觸式。

接觸式方法中最常用的應變電測法是一種表面應變逐點測量方法，技術成熟，距今已有70年左右的歷史，應用范圍涉及各種行業(yè)領域[3]。具有如下優(yōu)點：

1）應變片尺寸小、重量輕，粘貼方便，對試件的工作狀態(tài)和應力分布影響??；

2）測量靈敏度和精度高，常溫測量時精度可達到1%～2%；

3）頻率響應快，機械滯后小；

4）技術成熟，應用廣泛。

但是，應變電測法受到其測量手段的限制，具有如下局限性：

1）盡管應變片尺寸可以很小，但是對應力集中的測量仍不夠精確；

2）一枚應變片只能測一個“點”，而且測出的應變只能代表柵長范圍內(nèi)的平均應變；

3）應變電測法只能進行表面應變測量，無法進行三維應變測量。

非接觸式方法中趨于成熟的數(shù)字圖像相關方法起源于上世紀八十年代，可以直接采用自然光源或白光源，通過高分辨率的CCD或CMOS相機采集圖像，并利用相關算法處理圖像信息，從而得出全場應變。由于數(shù)字圖像相關方法的測量精度取決于數(shù)字圖像的分辨率和清晰度，因此隨著科技和數(shù)字化的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像相關方法的測量精度也在不斷提升[4]。該方法的優(yōu)點如下所述：

1）屬于光學測量方法，抗電磁干擾能力強；

2）屬于非接觸式測量方法，具有應變電測法所不能達到的全場測量優(yōu)勢，既可以測量結構的表面應變，也可以測量結構內(nèi)部的應變；

3）該方法可以直觀反映出應力集中現(xiàn)象，不僅很容易找到應力集中的部位，而且可以確定應力集中系數(shù)；

4）可以進行三維應變測量。

但是，數(shù)字圖像相關方法同樣存在一些技術缺陷：

1）對于極限環(huán)境下的應變測量，需對相機鏡頭進行保護；

2）使用前需對攝像系統(tǒng)進行標定；

3）技術不夠成熟，無法完全取代應變電測法。

通過對數(shù)字圖像相關方法和應變電測法的優(yōu)缺點進行對比分析，可以看出數(shù)字圖像相關方法擁有應變電測法所無法達到的全場測量優(yōu)勢，彌補了應變電測法的缺陷，具有可觀的應用前景。

3 數(shù)字圖像相關方法應用的必要性

在民機強度試驗中，傳統(tǒng)的應變電測法可以完成大部分的應變測量任務。但是有時會遇到結構應力狀態(tài)未知的情況，應變電測法難以準確獲取結構的最大應力區(qū)域，這時測量結構的全場應變顯得尤為重要。而通過數(shù)字圖像相關方法可以獲取結構的全場應變并以圖像的形式直觀地顯示出最大應力區(qū)域。

以某民機強度試驗室為例，根據(jù)該試驗室試驗能力的規(guī)劃，分析其應變測量需求。

該民機結構強度試驗室規(guī)劃的總體試驗能力為：

1）能夠同時進行兩項部件級靜強度試驗和兩項部件級疲勞試驗；

2）能同時開展十項組（元）件級靜強度及疲勞試驗。

對于組（元）件級靜強度及疲勞試驗，傳統(tǒng)的應變電測法是可以滿足測量需求的。然而，對于部件級靜力和疲勞試驗，由于部件級結構和負載狀態(tài)相當復雜，所以這些結構的應力狀態(tài)在試驗前是未知的，這時采用數(shù)字圖像相關方法測量結構的全場應變，可以獲得更為理想的測量效果。

由此可見，對于該民機強度試驗室元件、組件及部件級靜力與疲勞試驗，采用數(shù)字圖像相關方法來輔助傳統(tǒng)應變電測法進行數(shù)據(jù)測量是相當必要的。

4 數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)設計方案

4.1 數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)構成

通過上一章的分析可知，數(shù)字圖像相關方法可以彌補傳統(tǒng)應變電測法無法進行全場測量的缺陷，因此為滿足民機強度試驗多樣化的應變測量需求，提出了數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)的主要構成如圖4所示，包括應變測量頭、CMOS高速相機、控制器、LED照明裝置、圖形工作站、分析軟件、三角架和數(shù)據(jù)線。

4.2 數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)技術特點

數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)采用立體雙CMOS相機測量技術，基于數(shù)字圖像相關原理，利用一個靈活的觸發(fā)器讀取并記錄負載信號，控制系統(tǒng)進行同步的圖像采集。系統(tǒng)具備極高的可靠性和測量精度，測量范圍可以根據(jù)需要進行調(diào)整，可以準確和實時地測量大量反光靶點的動態(tài)位置坐標，通過對試件在不同負載條件或不同運動條件下靶點位置進行測量，準確計算出試件相應位置的位移和變形，結果以動態(tài)圖形化顯示和輸出。

該套系統(tǒng)適于測量和計算在負載和溫度變化條件下剛性零件的位移、物體的變形、軌跡以及零件的動態(tài)特性。能夠測得試件表面三維全場應變圖，真實應力-應變曲線，系統(tǒng)可開展高速拉伸條件下的全場和局部應變測試、常溫和高低溫環(huán)境下動靜態(tài)力學測試和疲勞試驗的測量要求，并且可以實時測量定靜、動態(tài)測試中的應力分布，圖形化顯示，立即識別出臨界區(qū)域、從而為材料或者結構的測試和分析提供準確可靠的力學數(shù)據(jù)。

5 結論

本文基于某民機強度試驗室，討論了兩種應變測量方法的優(yōu)缺點，通過分析，論證了數(shù)字圖像相關方法在民機強度試驗中的必要性，并提出了數(shù)字圖像相關測量系統(tǒng)的設計方案，豐富了該民機強度試驗室的試驗手段，提高了該試驗室的試驗能力。

【參考文獻】

[1]方如華.光測力學的研究現(xiàn)狀和展望[J].上海力學，1989，10（03）：68-72.

[2]王懷文，亢一瀾，謝和平.數(shù)字散斑相關方法的應用研究進展[J].力學進展，2005，35（02）：195-203.

[3]鄭俊，趙紅旺，朵興茂.應力應變測試方法綜述[J].汽車科技，2009（1）：5-8.

[4]潘兵.數(shù)字圖像相關方法及其在實驗力學中的應用[D].清華大學，2007.

[責任編輯：王偉平]