數字圖像技術在飛機強度試驗中的應用優勢

胡旭

摘 要：文章分析了飛機強度試驗所采用的應變計與位移計測量方法的局限性，提出了使用數字圖像測量技術作為補充測量的方法。詳細介紹了數字圖像測量技術的原理、特點，從而論證了數字圖像測量技術在飛機強度試驗測量中的優勢以及應用的必要性。

關鍵詞：飛機強度試驗；數字圖像技術；應用優勢

飛機強度試驗的試件類型很多，其中結構件的占比很大。要全面獲取結構件在應力作用下全場應變和位移數據是一大難點。由于現在比較通行的應變計測量法對該試驗目標的達成具有一定的局限性，我們便將數字圖像測量技術引入試驗測量中，很好地解決了這一問題。

1 數字圖像技術概述

20世紀80年代，美、日科學家提出了數字圖像的相關算法。通過對變形前后的灰度圖像進行相關迭代找到相關系數的極值，從而得到物體的位移值；或者測量物體變形前后光強的相關峰值從而推導出物體的位移。隨著數字圖像技術（Digital Image Technology，DIC）的不斷發展，其在三維光學應變測量中的應用也日臻完善。三維光學應變測量已經被廣泛應用于各科學領域，如材料力學、斷裂力學、微觀納米應變測量各種新材料測量等，具有非接觸性、應用廣泛、全場測量、測量環境要求不高、易于實現自動化等優點[1]。

2 測量方法對比

2.1 應變計測量法

在飛機設計中，結構強度非常重要，可以說強度是結構設計的前提條件，結構設計的合理性必須經過強度試驗的驗證。在怎樣的應力條件下結構會發生屈曲或失穩，屈曲會首先出現在結構的哪個部分，這些在設計伊始或許都有預估，但都需試驗來證明。因此，這些結果的驗證成了飛機結構件強度試驗的重要研究內容。

現在業內比較通用的方法是應變計測量法，具體方法就是在試件的考核部位正反面的對稱位置粘貼應變計（如圖1所示，某一壓縮試驗的應變計粘貼分布情況），應變計的方向也會因為屈曲發生的不可預知性而更加多樣。

在應力的作用下，通過觀察有關聯的應變計的實時測量曲線的走向來判斷試件是否發生屈曲或者應力集中的區域。如圖2所示，可以看到對稱位置應變計的測量曲線方向在某一應力條件下發生了分離，從而判斷試件屈曲的產生。

應變計測量法具有一定的局限性，具體表現為：

（1）無法整體反映試件屈曲的情況。由于應變計的粘貼位置是設計者預估的屈曲產生的位置或者是對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變片的位置發生屈曲試驗者是無法察覺的，這樣就為設計缺陷的產生埋下了隱患。

（2）應變計所測量的應變數據是試件表面一定面積的應變值的平均值，這是由應變計自身的大小決定的（大約是3～5 cm2），所以如果想了解更小區域的具體應變值的話，應變計就顯得捉襟見肘。

（3）如果想了解這個面的整體屈曲情況就需要在試件表面粘貼大量的應變計，這樣應變計的粘貼必然在一定程度上影響試件本身的應力狀態，從而導致數據誤差增大。

（4）應變計的粘貼工作量也比較大，耗時長，對工藝的也有一定的要求，尤其是在一些環境試驗中，更是要求操作者具備相當專業的粘貼技巧[2]。

2.2 數字圖像測量法

鑒于對應變計測量法的介紹，我們可以了解一下DIC的測量方法，以便對兩種測量方法做對比。

三維光學應變測量技術就是數字圖像技術的具體的應用，它是通過追蹤噴涂在物體表面的散斑圖像，實現對物體變形過程中的三維坐標、位移及應變的測量。可應用于動/靜態拉伸試驗、高溫高濕試驗和動態疲勞等試驗的應變和位移數據的測量。

其中圖3就是三維光學應變測量系統的測量頭，它由兩臺成一定夾角的攝像頭和光源組成。兩臺攝像頭同時對試件表面的散斑進行拍攝，共同構建試件的空間位置信息，從而計算出試件的位移、應變數據[3]。圖4就是試驗中的噴涂有散斑的試件。

圖5是三維光學應變測量系統在現場測量試驗。我們可以看到，測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，這對試件的應力特征沒有任何的影響，而且散斑的噴涂過程比較簡單，易于操作。

三維光學應變測量系統將可見的幅面以系統分辨率為單元細分百萬級的像素點。600萬像素的測量頭可將該幅面分為600萬個像素點，由若干個像素點構成一個測量區域。如圖6所示，C區域為試件表面的一部分，A區域為一個像素點，B區域為一個最小測量區域，每一個可輸出數據的測量點的數據即是每個最小測量區域的平均值。以邊長1 000 mm的幅面為例，最小測量區域面積約為4 cm2，相鄰測量點間距大約0.3 mm，即整個測量區域內每隔0.3 mm便可輸出一組應變或位移數據，這相較于應變計測量數據密集程度和詳細程度已經超出太多。

圖7是一塊鉚接板在拉伸狀態下三維光學應變測量系統測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細小區域的位移變化狀態。

3 結語

通過對比我們可以看到數字圖像測量法相對于應變計測量法具有全面、便捷、不影響試件力學性能等優點，而這恰好是應變計測量法的短板。當然，就現有的技術發展水平而言，數字圖像測量法相對應變計測量法也存在應變精度不高的缺點，所以，數字圖像測量法在飛機強度試驗中的應用是對現有試驗手段的一大補充和提升，極大地豐富了數據種類和分析手段。

[參考文獻]

[1]潘兵，謝惠民，續伯欽，等.應用數字圖像相關方法測量含缺陷試樣的全場變形[J].實驗力學，2007（Z1）：379-384.

[2]周倫彬.逆向非接觸測量技術淺析[J].中國測試技術，2005（5）：25-27.

[3]代祥俊，蒲琪，楊保亮，等.數字圖像相關法在材料力學實驗教學中的應用[J].工程與試驗，2009（4）：37-39.