| 标题 | 数字图像技术在飞机强度试验中的应用优势 |
| 范文 | 胡旭 摘 要：文章分析了飞机强度试验所采用的应变计与位移计测量方法的局限性，提出了使用数字图像测量技术作为补充测量的方法。详细介绍了数字图像测量技术的原理、特点，从而论证了数字图像测量技术在飞机强度试验测量中的优势以及应用的必要性。 关键词：飞机强度试验；数字图像技术；应用优势 飞机强度试验的试件类型很多，其中结构件的占比很大。要全面获取结构件在应力作用下全场应变和位移数据是一大难点。由于现在比较通行的应变计测量法对该试验目标的达成具有一定的局限性，我们便将数字图像测量技术引入试验测量中，很好地解决了这一问题。 1 数字图像技术概述 20世纪80年代，美、日科学家提出了数字图像的相关算法。通过对变形前后的灰度图像进行相关迭代找到相关系数的极值，从而得到物体的位移值；或者测量物体变形前后光强的相关峰值从而推导出物体的位移。随着数字图像技术（Digital Image Technology，DIC）的不断发展，其在三维光学应变测量中的应用也日臻完善。三维光学应变测量已经被广泛应用于各科学领域，如材料力学、断裂力学、微观纳米应变测量各种新材料测量等，具有非接触性、应用广泛、全场测量、测量环境要求不高、易于实现自动化等优点[1]。 2 测量方法对比 2.1 应变计测量法 在飞机设计中，结构强度非常重要，可以说强度是结构设计的前提条件，结构设计的合理性必须经过强度试验的验证。在怎样的应力条件下结构会发生屈曲或失稳，屈曲会首先出现在结构的哪个部分，这些在设计伊始或许都有预估，但都需试验来证明。因此，这些结果的验证成了飞机结构件强度试验的重要研究内容。 现在业内比较通用的方法是应变计测量法，具体方法就是在试件的考核部位正反面的对称位置粘贴应变计（如图1所示，某一压缩试验的应变计粘贴分布情况），应变计的方向也会因为屈曲发生的不可预知性而更加多样。 在应力的作用下，通过观察有关联的应变计的实时测量曲线的走向来判断试件是否发生屈曲或者应力集中的区域。如图2所示，可以看到对称位置应变计的测量曲线方向在某一应力条件下发生了分离，从而判断试件屈曲的产生。 应变计测量法具有一定的局限性，具体表现为： （1）无法整体反映试件屈曲的情况。由于应变计的粘贴位置是设计者预估的屈曲产生的位置或者是对屈曲比较敏感的位置，具有一定的不确定性，所以一旦没有粘贴应变片的位置发生屈曲试验者是无法察觉的，这样就为设计缺陷的产生埋下了隐患。 （2）应变计所测量的应变数据是试件表面一定面积的应变值的平均值，这是由应变计自身的大小决定的（大约是3～5 cm2），所以如果想了解更小区域的具体应变值的话，应变计就显得捉襟见肘。 （3）如果想了解这个面的整体屈曲情况就需要在试件表面粘贴大量的应变计，这样应变计的粘贴必然在一定程度上影响试件本身的应力状态，从而导致数据误差增大。 （4）应变计的粘贴工作量也比较大，耗时长，对工艺的也有一定的要求，尤其是在一些环境试验中，更是要求操作者具备相当专业的粘贴技巧[2]。 2.2 数字图像测量法 鉴于对应变计测量法的介绍，我们可以了解一下DIC的测量方法，以便对两种测量方法做对比。 三维光学应变测量技术就是数字图像技术的具体的应用，它是通过追踪喷涂在物体表面的散斑图像，实现对物体变形过程中的三维坐标、位移及应变的测量。可应用于动/静态拉伸试验、高温高湿试验和动态疲劳等试验的應变和位移数据的测量。 其中图3就是三维光学应变测量系统的测量头，它由两台成一定夹角的摄像头和光源组成。两台摄像头同时对试件表面的散斑进行拍摄，共同构建试件的空间位置信息，从而计算出试件的位移、应变数据[3]。图4就是试验中的喷涂有散斑的试件。 图5是三维光学应变测量系统在现场测量试验。我们可以看到，测量的过程仪器和试件没有接触，唯一需要做的就是给试件表面喷涂散斑，这对试件的应力特征没有任何的影响，而且散斑的喷涂过程比较简单，易于操作。 三维光学应变测量系统将可见的幅面以系统分辨率为单元细分百万级的像素点。600万像素的测量头可将该幅面分为600万个像素点，由若干个像素点构成一个测量区域。如图6所示，C区域为试件表面的一部分，A区域为一个像素点，B区域为一个最小测量区域，每一个可输出数据的测量点的数据即是每个最小测量区域的平均值。以边长1 000 mm的幅面为例，最小测量区域面积约为4 cm2，相邻测量点间距大约0.3 mm，即整个测量区域内每隔0.3 mm便可输出一组应变或位移数据，这相较于应变计测量数据密集程度和详细程度已经超出太多。 图7是一块铆接板在拉伸状态下三维光学应变测量系统测量到的面外位移云图，我们可以清晰而全面地看到铆接板每一个细小区域的位移变化状态。 3 结语 通过对比我们可以看到数字图像测量法相对于应变计测量法具有全面、便捷、不影响试件力学性能等优点，而这恰好是应变计测量法的短板。当然，就现有的技术发展水平而言，数字图像测量法相对应变计测量法也存在应变精度不高的缺点，所以，数字图像测量法在飞机强度试验中的应用是对现有试验手段的一大补充和提升，极大地丰富了数据种类和分析手段。 [参考文献] [1]潘兵，谢惠民，续伯钦，等.应用数字图像相关方法测量含缺陷试样的全场变形[J].实验力学，2007（Z1）：379-384. [2]周伦彬.逆向非接触测量技术浅析[J].中国测试技术，2005（5）：25-27. [3]代祥俊，蒲琪，杨保亮，等.数字图像相关法在材料力学实验教学中的应用[J].工程与试验，2009（4）：37-39. |
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