方新文，劉穎茜

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital Image Correlation，DIC)是一種基于機(jī)器視覺的非接觸測(cè)量方法[1]，通過跟蹤物體表面形變前后兩幅散斑圖像中同一像素點(diǎn)的位置來獲得該像素點(diǎn)的位移量，從而得到試件表面的全場(chǎng)位移。

2 概 述

三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)結(jié)合DIC與雙目立體視覺技術(shù)，通過追蹤物體表面的散斑圖像，實(shí)現(xiàn)對(duì)變形過程中物體表面的三維坐標(biāo)、位移及應(yīng)變的動(dòng)態(tài)測(cè)量。該系統(tǒng)可用來分析輪胎動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中飛機(jī)輪胎受載旋轉(zhuǎn)時(shí)胎側(cè)的形變場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)。

以某航空輪胎為例，進(jìn)行三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)。輪胎試驗(yàn)要求如下：(1)機(jī)輪直徑：1450mm；(2)最大線速度：500km/h；(3)采樣部位：輪胎胎側(cè)；(4)研究?jī)?nèi)容：胎側(cè)的全場(chǎng)形變、應(yīng)變場(chǎng)；(5)形變測(cè)量精度：0.1mm；(6)應(yīng)變測(cè)量精度：200με。

3 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)由2臺(tái)高速攝像相機(jī)、1組定焦鏡頭、控制箱、圖形工作站、專用高亮光源、標(biāo)定板以及防護(hù)裝置等組成，實(shí)現(xiàn)相機(jī)對(duì)輪胎每轉(zhuǎn)一圈、每圈轉(zhuǎn)到同一位置時(shí)的觸發(fā)采樣拍攝。

3.1 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)主要指高速相機(jī)分辨率、幀率、曝光時(shí)間。

(1)分辨率。為了滿足0.1mm位移精度的高精度拍攝要求，進(jìn)行相機(jī)要求參數(shù)分析計(jì)算。圖1所示為機(jī)輪與鼓輪位置關(guān)系示意圖。

圖1 機(jī)輪與鼓輪位置關(guān)系示意圖

取1500mm×1500mm拍攝幅面，則相機(jī)計(jì)算分辨率為：

由于15000pix過大，在靜態(tài)下系統(tǒng)可采用亞像素分析方法將測(cè)試精度提高10倍，選用分辨率為400萬(2336×1728)的高分辨率相機(jī)。則物理位移精度為：

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，采用亞像素分析計(jì)算方法，實(shí)際位移精度可達(dá)到0.1mm。

(2)曝光時(shí)間。已知機(jī)輪線速為140m/s，需要將相機(jī)曝光時(shí)間盡可能縮短來減少拖影產(chǎn)生的影響，DIC技術(shù)保證精度的前提是曝光時(shí)間內(nèi)位移量小于1pix(準(zhǔn)靜態(tài))。由以上分析，相機(jī)的曝光時(shí)間在5μs以內(nèi)即可。計(jì)算在5μs曝光時(shí)間內(nèi)機(jī)輪剛性位移為：5μs×140m/s=0.7mm=0.8pix<1pix，滿足條件。

(3)幀率。采用機(jī)輪旋轉(zhuǎn)一圈采集15張圖像的采樣方式，已知輪胎最大轉(zhuǎn)速為32r/s，則相機(jī)最低幀率為：15張×32r/s=480fps。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)布局設(shè)計(jì)

三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)使用高速3D-DIC技術(shù)，由2臺(tái)400萬分辨率、滿幅幀率560fps的高速攝像相機(jī)，1組定焦鏡頭，控制箱，圖形工作站，專用高亮光源，標(biāo)定板以及防護(hù)裝置等組成。DIC分析軟件為GOM Correlate，具備應(yīng)變X、應(yīng)變Y和應(yīng)變XY，最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變的分析。系統(tǒng)布局如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)布局圖

系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程控制的方式，操作人員操作控制室里配置的筆記本，與安置在現(xiàn)場(chǎng)的圖形工作站之間通過以太網(wǎng)形成的局域網(wǎng)進(jìn)行通信。依據(jù)實(shí)時(shí)采集物體各個(gè)變形階段的散斑圖像，利用圖形相關(guān)算法進(jìn)行物體表面變形點(diǎn)的立體匹配，重建出匹配點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。對(duì)位移場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理和應(yīng)變信息可視化分析，實(shí)現(xiàn)快速、高精度、實(shí)時(shí)、非接觸式的三維應(yīng)變測(cè)量。由于輪胎線速度較高，為避免拖影現(xiàn)象，選用最短曝光時(shí)間為1μs的相機(jī)，同時(shí)配備專用光源增加拍攝亮度。系統(tǒng)通信如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)通信示意圖

3.3 試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

(1)在輪胎胎側(cè)制備散斑圖案，并進(jìn)行散斑質(zhì)量評(píng)估。

(2)架設(shè)相機(jī)及光源，相機(jī)測(cè)量距離約2000mm，相機(jī)間距約820mm。在安全范圍內(nèi)，光源盡量距輪胎較近。

(3)采樣方式： 采集不同圈數(shù)下輪胎轉(zhuǎn)到同一位置的圖像，可以采用在輪胎上貼反光條的光電觸發(fā)方式或外部旋轉(zhuǎn)編碼器給角度信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)的方式(如圖4所示)。

(4)數(shù)據(jù)處理：獲取半胎位移場(chǎng)(總方向和xyz各方向)和全胎應(yīng)變場(chǎng)(最大/小主應(yīng)變、xy向應(yīng)變)。

圖4 表面制備

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過搭建的三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)，獲得的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從某機(jī)輪動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的輪胎全場(chǎng)應(yīng)變分析結(jié)果可以看出，輪胎在旋轉(zhuǎn)過程中周期性受載，其應(yīng)變曲線成規(guī)律性的波動(dòng)，其單點(diǎn)的應(yīng)變與應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果相比高度吻合。

圖5 輪胎拉格朗日應(yīng)變分析

5 結(jié) 論

本文利用高速3D-DIC技術(shù)，搭建了三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的貼應(yīng)變片測(cè)量相比，該系統(tǒng)測(cè)量應(yīng)變的準(zhǔn)備工作較少，不需要人工粘貼大量的應(yīng)變片，只需噴涂散斑即可；分析范圍大，數(shù)據(jù)區(qū)域整體性強(qiáng)；以應(yīng)變片測(cè)量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果精度高，具備較高的可靠性，可適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體。因此，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有利于航空輪胎動(dòng)態(tài)試驗(yàn)分析。