飛行器靜力試驗表面變形的非接觸式測量方法

馬璐軍

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100074）

引言

在飛行器結構靜力試驗中，大多采用位移計、應變片等電測方法進行測量。但在試驗過程中，經常遇到電測方法不適用的場景，如：設計人員關心的位移測點兩兩相鄰很近，布置位移計時出現相互干涉；關心的位移或應變測點在扳手槽內部或周邊，局促的空間下不利于布置傳感器；大型結構件受載發生較大變形，電測法受量程限制無法測量；對結構件進行破壞試驗，為保護傳感器需在中途拆除位移計等。在這些使用場景下，由于傳統電測方法的局限性，設計人員不得不采取備選方案，因而往往得不到真正關心位置的變形信息。本文提出一種基于數字圖像處理技術的非接觸式變形測量方法，具有非接觸、全場測量、調試簡單、對周圍環境要求低等優勢，將大大擴展結構靜力試驗時可獲取的信息量，為飛行器結構設計改進提供數據支持。

1 非接觸式測量方法

數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）方法是上世紀80年代初期提出的一種基于數字圖像處理的非接觸式變形測量方法。試驗前在試驗件表面通過噴漆等方式制作黑白相間的隨機散斑，在加載前和加載過程中（通常是每級保載過程中）分別通過工業鏡頭和相機拍攝試驗件表面圖像，試驗后通過對參考圖像和變形后圖像進行相關性計算，即可得到選定區域內的位移、應變等信息。在過去三十多年中，該方法逐漸發展成當前實驗力學領域最受關注、應用最廣泛和最重要的光測力學方法。按照適用測量范圍來分，數字圖像相關方法可分為僅適用于平面物體表面面內變形測量的二維數字圖像相關方法（2D-DIC）和適用于平面或曲面物體表面形貌和三維變形測量的三維數字圖像相關方法（stereo-DIC）。

在實際工程應用中，飛行器結構表面往往具有較大的曲率，且在復雜加載工況下變形復雜，因此適合于采用stereo-DIC方法進行測量。該方法基于立體視覺原理，可對平面或曲面物體的表面進行形貌重建或三維變形測量，它的測量范圍更加廣泛，在工程上的應用前景也更為廣闊。而stereo-DIC方法的主要局限在于它需要精確標定雙目立體視覺攝像系統，在實驗過程和數據處理的過程中比2D-DIC方法要更復雜、計算量更大。

Stereo-DIC方法的計算原理如圖1所示[1]，在計算前需要在左相機的參考圖像中選擇要進行計算的正方形圖像子區，然后根據基于圖像灰度的相關算法在右相機參考圖像中找到該子區中心的對應位置，根據事先標定得到的相機內外部參數可以得到該圖像子區中心點的三維坐標（X0，Y0，Z0）。同理，在左、右相機拍攝到的變形后圖像中也能準確追蹤到該子區中心的相應位置，即可得到該點變形后的三維坐標（X1，Y1，Z1）。顯然，該點變形前后的空間三維坐標之差就是該點的三維位移（U，V，W）。

2 測量準確性驗證

2.1 試驗系統

對比驗證試驗對某飛行器靜力試驗件進行前半段剛度試驗，使用美國MTS多通道協調加載系統對試驗件進行加載。接觸式測量方面，使用美國meas-spec公司的頂桿式位移計和美國VTI Instruments公司的數據采集系統測量位移，使用中國中航工業電測儀器股份有限公司的電阻應變計和美國VTI Instruments公司的應變測試儀器測量應變；非接觸式測量方面，使用美國灰點（Grey Point）公司的相機（GS2-GE-20S4M-C，像素大小44μm，最大分辨率1 624×1 224 pixels，最大采樣率29 FPS），德國施耐德（Schneider）公司的工業鏡頭（Xenoplan 1.4/17，光圈系數1.4，焦距17.6 mm，工作距離不大于42 mm），使用美國CSI公司的商用軟件Vic-3D進行分析計算。

圖1 stereo-DIC方法測量的基本原理

2.2 試驗方案

對靜力試驗件進行剛度試驗，前半段剛度試驗中，將試驗件中部和后端共2處進行固支，共4個點同時對試驗件加載，其中載荷P通過杠桿分級分解到兩側舵面上共6個加載點上，具體加載方式由圖2所示。

由圖2可知，4個加載點均為上下方向加載，理論上試驗件左右兩側變形對稱。試驗過程中對兩側舵面同時加載，并布置位移測點，兩側舵面相同位置位移相差不大于0.1 mm，因此認為試驗件兩側變形對稱。在試驗件兩側相同位置分別使用DIC法和接觸式測量方法（位移傳感器和應變片）同時進行測量，測量方案見圖3。

2.3 試驗過程和計算結果

試驗前在試驗件右側布置位移測點和應變測點，對測點位置進行定位和標記，同時在試驗件左側相同位置標記位移和應變測點，選取能夠覆蓋兩測點的適當大小區域，噴制黑、白相間的隨機散斑圖案，將一對CCD相機和鏡頭通過三腳架固定在試驗件一側，試驗前提前開啟CCD相機預熱2 h，以消除相機發熱導致內部器件變形帶來的測量誤差[2]。調節相機鏡頭的位置和焦距（鏡頭位置），使被測量區域在計算機中顯示出清晰的圖像。在布置并調節好DIC測試系統后，使用4 mm 9×12規格的圓點標定靶對stereo-DIC系統進行標定。隨后在加載前通過計算機采集一張初始圖像，加載過程中每級載荷保載時分別采集一張變形后圖像，同時采集位移傳感器和應變片測量數據。

試驗結束后，對采集到的參考圖像和變形后圖像進行相關分析計算。通過Vic-3D軟件進行計算，可以通過各級載荷下左、右兩個相機拍攝到的圖像重建試驗件表面的三維形貌，如圖4所示。

圖2 靜力試驗件加載方式

圖3 DIC法和接觸式測量法對比試驗方案

圖4 通過立體視覺算法重建的試驗件表面三維形貌

通過各級載荷下的三維形貌與初始狀態下的三維形貌進行對比，容易計算出各級載荷下的面內正交方向位移（U、V）和離面方向位移（W），通過計算位移的導數，可以求解出被測區域內的應變值（Exx、Exy、Eyy）。在試驗件另一側使用位移傳感器和應變片分別測量離面方向位移W和0 °、45 °、90 °三個方向的應變值Exx、Exy、Eyy，因此使用DIC法計算W、Exx、Exy、Eyy四個數值。

各級載荷下DIC法和接觸式測量法測得的位移和應變數據見表1。

表1 DIC法和接觸式測量法數據對比

測量結果顯示，DIC法與位移傳感器測量的位移誤差為0.017 mm，DIC法與應變片測量的應變誤差在豎直方向最大，誤差約70微應變，誤差在可接受范圍內。

3 試驗分析與結論

通過試驗數據可以發現，DIC方法測量位移最大誤差為0.017 mm，測量結果相對可靠，應變測量誤差約70微應變，誤差的主要來源為計算應變過程中，位移數據的離散性帶來的計算誤差。

結合飛行器結構靜力試驗中的測量慣例，給出如下建議：

1）DIC方法位移測量誤差較小，在位移計布置空間受限、大變形情況和破壞試驗時可以取代位移計；

2）應變片一般在試驗全過程中可以進行不間斷測量，且隨著制作工藝提升，應變片的尺寸規格也可以根據試驗需要靈活選擇，因此建議仍然采用應變片監測位移；

3）通過調節鏡頭參數和制作散斑的顆粒大小，DIC方法可以覆蓋不同尺寸區域的測量，在產品研制階段，可以使用DIC方法在各類試驗中進行全場位移和應變監測。