動態應變測試技術在汽車試驗中的應用

呂元蒙

（中國第一汽車股份有限公司天津技術開發分公司）

在汽車的路譜采集和臺架試驗中，應變測量是一種常用也比較有效的測量方法。應變測量從測量方式上一般可分為接觸式和非接觸式應變測量。接觸式應變測量通常需將測量元件與被測物粘貼在一起，這樣它才會隨被測物的變形而改變形狀，從而通過測量元件自身的性質而獲取應變改變的信息。接觸式測量方法具有結構簡單、使用方便的優點，但其缺點也比較多，如不能全場測量、不能連續不斷地進行大變形測量等。目前在汽車相關試驗中大部分采用的都是接觸式應變測量。文章主要介紹的是數字圖像相關方法（Digital Image Correlation，DIC），又稱為數字散斑相關技術（Digital Speckle Correlation Method，DSCM）在汽車試驗中的應用，它是一種非接觸的場變形測量方法，在復雜載荷、高溫環境下的變形測試中具有很大的優勢。

1 數字圖像相關方法原理與Vic-3D 技術

將試樣表面隨機分布的散斑點受載荷作用下的變化記錄成數字圖像數據，DIC 利用數字圖像相關方法來分析，即利用數字圖像的灰度值模式來精確測定變形和位移。

1.1 DIC原理

DIC 利用相機拍攝被測物體在變形過程中的表面圖像，變形前的圖像作為參考圖像，變形后的圖像為目標圖像，將參考圖像上的待計算區域劃分成網格形式，對比變形后的目標圖像與變形前的參考圖像，計算每個網格節點在X，Y，Z 方向的位移，獲得全場位移信息。采用相機記錄被測物體加載前后的散斑圖像，經模數轉換得到散斑圖像的灰度場，根據不同斑點的灰度值進行位置搜索并以像素為單元進行計算。具體為以散斑圖像中某一點為中心，取一區域進行搜索計算，當變形前區域及像素點與變形后的區域及像素點完全相關時，相關系數取1，如像素點發生變形則相關性下降，物體的位移可以通過搜索最大相關性點來得到。計算公式為：

式中：C——相關系數；

x，y——像素點位置坐標；

u，v——像素在x，y 方向的位移；

n——子集的大小或所含像素個數；

I，I*——移動前、后圖像函數；

i——x 方向像素點序號；

j——y 方向像素點序號。

針對三維計算，可利用立體三角測量的方法識別空間點。利用2 臺CCD 攝像機準確判斷某點在X，Y，Z 軸的變化，對任意兩軸計算相關系數可得此點在這兩軸所組成平面內的變化，分別計算某點在XOY，YOZ，ZOX 平面內的變化情況，從而得出空間中相關系數C。立體三角測量的前提是2 條直線在同一個坐標系中，因此在測量之前需要先識別空間準確位置，用2臺相機建立同一坐標系[1]。

1.2 Vic-3D 技術介紹

Vic-3D 技術基于數字圖像相關技術，可測量被測物表面全場三維位移、位移速率、應變及應變速率，且對環境要求低。Vic-3D 測量系統主要由高分辨率的圖像采集系統（光學CCD、光學顯微鏡等）、計算機及圖像分析軟件所組成。測量時，被測對象受力引起被測表面圖案發生畸變，該變化被圖像采集系統的2 臺CCD攝像機記錄下來，試樣變形前后示意，如圖1 所示。然后通過計算分析軟件對2 幅圖像中的相同特征點進行匹配追蹤，即可獲得所選特征點的三維空間坐標值及其變形矢量。分析軟件根據被測物體表面若干個特征點的變形矢量，就可得到物體表面的三維變形場等信息[2]。

圖1 載荷試驗試樣變形前后示意圖

Vic-3D 試驗流程，如圖2 所示。

圖2 Vic-3D 測量試驗流程圖

1）散斑制作：DIC 是針對于有一定特征點的圖像開展的變形測量，對于表面沒有明顯特征點的材料，要人為地在試件表面制作隨機散斑行程特征點。散斑可以通過滾輪、印章、噴涂等多種途徑完成。由于它是獲得圖像信息的來源，散斑制作水平的高低直接影響結果數據的準確性。圖3 示出散斑質量對比。較差的散斑甚至在樣件靜態未受力狀態即產生應變噪聲。通常高質量的散斑圖案標準為具有高對比度、大小一致的散斑點、50%覆蓋率及隨機性等。

圖3 人為制作的散斑質量對比圖

2）相機標定：選擇適合的校正板，將校正板放置于被測物所在的位置上（如被測物無法被移動，那么在不超出景深范圍的前提下，將校正板置于被測物前即可）。確保校正板上的3 個圓環定位點和2 個小的編碼點足夠清晰且不被遮擋。保證校正板整體清晰明亮，不出現曝光過度、模糊、過暗等現象。不斷按下觸發器來采集校正圖像，采集15～25 組校正圖像，然后運行Vic-3D 軟件對拍攝的校正圖像進行校準分析，得到校準結果。利用校正板進行校正分析的顯示界面，如圖4所示。

圖4 利用校正板進行校正分析的顯示界面

3）試驗記錄：設置好試驗參數開始試驗，同時按下觸發器對散斑區域進行圖像采集。

4）結果分析：利用Vic-3D 軟件調取結果數據，打開采集的試驗樣件圖像，選擇數據分析區域，設定分析起始點，并選擇適宜的子區大小和分析步長，然后開始進行數據分析。最終得到關于樣件變形的一系列結果，如圖5 所示。

圖5 Vic-3D 軟件的試驗樣件圖像分析界面

2 Vic-3D測量系統應用舉例

為了進一步驗證DIC 的可行性和準確性，對汽車后懸橫梁局部位置進行了驗證試驗。

選用扭力梁式汽車后橋，因其結構對稱，故選擇橫梁表面靠左側為圖像采集區域，如圖6 所示。將橫梁按實車狀態安裝在臺架上，不安裝彈簧和減振器，加載位置為車輪中心安裝處，選用扭轉工況，將位移控制在±40 mm，兩端相位差為180°，頻率為3 Hz。

圖6 試驗樣件及測量區域示意圖

2.1 利用Vic-3D系統進行測量

2.1.1 散斑制作

由于樣件黑色底漆反光，因此首先選用啞光白色漆進行噴涂，制作底層。待充分晾干后，選擇合適的專業印章工具來進行散斑制作，散斑區域約為200 mm×100 mm，如圖7 所示。同時為了更好地和后期傳統應變片采集數據做比較，散斑制作后選擇2 個位置做微型記號，便于測量結束后在此粘貼應變片。

圖7 DIC 驗證試驗散斑制作示意圖

2.1.2 采集設備安裝及相機標定

首先將2 臺高速相機及鏡頭固定在三腳架的橫梁上，將相機相關連線（如1394b 線、USB3.0 線、網線、電源線等）連接至電腦，并設定好主從相機。打開輔助光源，從兩側照入，盡量避免陰影和反光。打開Vic-Snap軟件，根據軟件中的圖像調整相機位置和角度。調整好相機方位后，選擇合適的焦距，將鏡頭光圈調至最大，此時景深最小，在景深最小時調整好圖像清晰度后，再將光圈調整至實際試驗需要的大小，并調整快門速度，使得畫面中沒有曝光過度或曝光不足的點，至此設備安裝基本完成。下一步選取與散斑區域面積大小適合的校正板，手持貼近樣件表面，旋轉各種角度，通過按下觸發器來采集25 張校正圖像。通過軟件進行校準分析，得到校準結果[3]。

2.1.3 試驗樣件圖像采集

通過MTS 線性作動器加載橫梁兩端，Vic-3D 軟件開始采集動態圖像，采集頻率為500 張/s，采集時間為5 s。采集測試現場，如圖8 所示。

圖8 Vic-3D 測量現場示意圖

2.1.4 圖像結果分析

將采集的圖像導入軟件內，選擇包含2 個標注點在內的一片區域進行分析，得到應變時域數據，如圖9所示，峰值應變云圖，如圖10 所示。2 個標注點的微小區域平均應變的峰值顯示為527.352 和648.506。

圖9 樣件圖像Vic-3D 測量分析結果時域數據圖

圖10 樣件圖像Vic-3D 測量分析結果應變峰值云圖

2.2 電阻式應變片測量法數據采集

在之前標記的2 個位置粘貼應變片。選用HBM 公司生產的0°/45°/90°應變花，數據采集系統為LMS 公司的SCADAS Mobile 便攜式數據采集器，采集軟件為LMS.TestLab。由于在室內臺架上采集時間較短，故應變片未加溫度補償。應變片安裝及采集過程，如圖11 和圖12 所示。

圖11 應變片安裝示意圖

圖12 電阻式應變片信號采集過程示意圖

將采集結果導入LMS.TecWare 數據處理軟件，通過專業模塊計算出2 個測點的最大主應變時域數據，如圖13 所示，應變峰值分別為565.8 和625.4。

圖13 測點最大主應變時域數據圖

電阻應變片測量法是一種成熟可靠的應變測量方式，多年來得到廣泛的應用，通過將DIC 方法得到的應變數據與應變片測得的數據對比發現，2 組試驗數據相差較小，基本符合精度要求（≤10%），說明DIC 方法可以滿足試驗測量的要求。

3 結論

文章介紹了數字圖像相關方法的基本原理和算法公式，以及基于圖像相關技術的Vic-3D 測試系統。通過進行扭力梁局部應變數據采集試驗，了解其具體試驗流程，得到了DIC 方法與傳統電阻式應變片測量法2 組同步的應變數據，通過對比，驗證了DIC 方法的可行性和準確性。具有全場測量、非接觸、環境適應性強等一系列優點的DIC 方法必然將成為今后力學試驗的一種趨勢。