箭體殼段結構數字散斑相關測量方法研究

王 群 李雄魁 路志峰 黎漢華 周江帆

(1.北京宇航系統工程研究所,北京 100076； 2.北京強度環境研究所，北京 100076)

1 引 言

殼段結構是火箭系統中連接發動機、提供儀器安裝的重要組成部分，需要承受飛行過程中較大的載荷。新設計的火箭殼段結構一般都要進行靜力試驗，以校核結構的應力、應變、位移等狀態。目前殼段結構的靜力試驗主要以電測法的形式獲取相關參數。電測法是借助電阻傳感器來獲得被測物體表面的應力或應變值，該方法是一種接觸式測量，被測量試件有一定的剛度要求，只能針對貼片位置進行點測量，在具體應用上存在較大的局限性，如測量范圍有限，復雜位置或因空間限制而無法測量，受環境溫度及應變片靈敏度影響需要考慮溫度補償，此外還存在導線多、工序復雜、效率低等一系列問題。尤其對于越來越精細化的殼段結構設計，往往期望獲得覆蓋面較廣的測量數據，減少測量誤差，而這種電阻應變測量的方法越來越無法滿足箭體結構靜力試驗的使用要求，因此需要引入一種新型的殼段應力-應變測量方法，即基于數字散斑相關的光學測量方法，以滿足結構精細化分析與設計要求。

2 基于數字散斑相關的光學測量方法簡介

數字散斑相關方法(Digital speckle correlation method，DSCM)是在 20 世紀 80 年代被提出的光力學測量技術，通過對變形前后結構表面的兩幅散斑圖進行相關處理來實現結構變形場的測量[1]，具有非接觸、全場測量、高測量靈敏度、物體表面局部精細化、高精度的特點，可以彌補傳統測量方法在結構件變形較大、材質較軟、間隙測量、結構件尺寸小、應力集中等方面的不足[2,3]。

光學測量系統具備以下測量能力：

1)實現物體表面全場、非接觸、大變形測量；

2)實現物體表面局部精細化、高精度的測量；

3)實現大結構件空間點三維坐標測量。

近年來，隨著 DSCM 理論體系的不斷發展，該方法以其良好的環境適應性，已經成為現代光學非接觸測量的重要方法，在力學、材料性能領域的位移和應變測量已經獲得了很大的成功，其應用領域仍在不斷地拓展。

3 數字散斑相關方法測量基本原理

數字散斑相關測量方法主要通過圖像采集(CCD攝像機)、圖像數字化，記錄物體在不同變形時刻或者不同變形狀態的兩幅散斑圖，通過模擬-數字的轉換得到數字灰度場，然后通過相關計算，得到相關系數極值點，即根據物體變形前后散斑場的互相關性來獲取物體的位移和變形的信息。

數字圖像相關方法是在變形前的散斑圖中，取以待求點(x，y)為中心的(2M+1)×(2M+1)的矩形圖像子區，在變形后的目標散斑圖像中通過一定的搜索方法，并通過某一相關函數進行相關運算，尋找與變形前所取矩形子區相關系數為最大值的以點(x*，y*)為中心的(2M+1)×(2M+1)目標矩形區域，從而確定參考散斑圖像子區的整像素位移。

從數學上建立衡量圖像相似程度的標準，這個標準可選用樣本子區中與目標子區的互相關系數，一般可定義互相關系數為[4]

(1)

式中：X——待求的12個自變量，自變量μ，ν是所選樣本子區中心點的位移，其余自變量為位移的一階和二階導數;f(x，y)——樣本子區中某一點(x，y)的灰度;g(x*，y*)——目標子區與(x，y)對應的那一點(x*，y*)的灰度，樣本子區和目標子區中各點的聯系由下式表示

(2)

4 試驗驗證

針對箭體殼段結構的地面靜力試驗，引入數字散斑光學測量方法，對局部較復雜區域應變、位移等情況的監測，以期解決因空間限制無法粘貼應變片，受環境溫度及應變片靈敏度影響測量結果，無法獲取全場應變等難題，試驗裝置示意圖如圖 1所示。

測量位置位于兩個艙段連接面。由于被測結構區域為雙錐形曲面，坐標系選擇上殼段對接面中間點切面為XOY平面，X軸方向水平向右，Y軸方向豎直向上，Z軸由右手定則確定。整個測量歷程為零載荷到使用載荷過程。

使用載荷下Y向位移數據如圖 2所示，其中云圖區域為測量區域。

由圖2可知，殼段組合體被測兩個區域的Y向變形并不一致，體現為云圖出現色階跳躍現象，其所測最大位移量為9.63mm。分析對接面兩點的位移歷程曲線可得兩殼段對接面間隙增長情況，即兩點的位移差為9.45-3.8=5.65mm。

從圖 3來看，上殼體測試區變形較為均勻，且應變較小，均不超過1 000微應變。下殼體區域由于結構為裝配體，應變分布較為復雜。其中Y向應變分布集中在測試區域下部，應變不超過1 800微應變，X向應變主要集中在誘餌艙上端框區域，最大應變不超過4900微應變。

從光學測量的位移和應變分析結果看，光測數據和常規靜力試驗應變片測量試驗數據一致性較好。

5 結束語

本文針對傳統的箭體殼段結構靜力試驗數據測量方法，提出了基于數字散斑技術的光學測量方法，該方法與傳統測試方法相比具有明顯優勢。

(1)光學測量方法實現了非接觸測量，不再局限于結構形式和空間，能夠獲取復雜表面的全應變場數據，并且簡化了傳統測量方法繁瑣的工序，縮短了測量時間，提高了試驗效率。

(2)傳統的電測法受設備限制最多能夠允許500個測量通道，對于大型復雜殼段結構，數據點的覆蓋性較差，而光學測量方法數據更加精細化和全面化，覆蓋了整個掃描到的面場，試驗數據和有限元計算結果能夠相互驗證，從而進一步修正有限元計算結果，為有限元計算提供數據庫儲備。

[1] 王懷文，亢一瀾，謝和平．數字散斑相關方法與應用研究進展[J]．力學進展，2005，35(2):195～203．

[2] 李明，張玨，溫茂萍等．數字散斑相關技術及其應用[J]．信息與電子工程，2005．3(1)：36～39．

[3] 郭海鴻，李曉星．非接觸應變測量的數字散斑相關方法的研究[J]．現代制造工程，2007， 11：96～98．

[4] Devore J L, Farnum N R．Applied Statistics for Engineers and Scientists． Pacific Grove， Calif.：Duxbury Press ，1999．