纖維纏繞殼體內(nèi)壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中的光學(xué)非接觸式應(yīng)變測(cè)試方法

鄭榮田，李 輝2，張 波，蘇麗芳

(1.西安航天復(fù)合材料研究所，西安 710025；2.火箭軍裝備部駐西安第一代表室，西安 710025)

在研究各種材料本構(gòu)關(guān)系的試驗(yàn)過(guò)程中,實(shí)時(shí)應(yīng)變的測(cè)量方法很多,總體上可分為兩種，接觸式和非接觸式。而對(duì)于一些高分子材料、纖細(xì)柔性材料和溫度場(chǎng)中材料的試驗(yàn)來(lái)說(shuō), 接觸式應(yīng)變測(cè)量存在定位困難、操作復(fù)雜等問(wèn)題。散斑測(cè)量種類(lèi)繁多,如散斑干涉可以測(cè)量物體的位移、應(yīng)變和振動(dòng)等，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍大、精度高,光路較簡(jiǎn)單,一般不需隔振臺(tái),對(duì)光源功率要求低，缺點(diǎn)是要求有相干光,儀器方面實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)有一定的不便;另外，還有白光散斑測(cè)量,該方法是人為地在物體表面上制造隨機(jī)分布的散斑,如在物體表面噴涂玻璃微珠、銀粉漆或在白的背景上噴黑斑點(diǎn)，以及在透明物體內(nèi)部混入微小顆粒等。當(dāng)物體受力變形時(shí),被白光照射的散斑僅隨物體表面一起運(yùn)動(dòng),然后得到散斑點(diǎn)的變化情況,從而測(cè)量出位移、實(shí)時(shí)應(yīng)變等[1]。目前白光散斑法已在位移、振動(dòng)和曲表面變形的測(cè)量中得到應(yīng)用,其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行,是一種具有發(fā)展前途的新方法。使用電測(cè)法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，只能對(duì)殼體局部很小的面積進(jìn)行測(cè)試，且只能進(jìn)行點(diǎn)測(cè)，特別是筒身段，現(xiàn)技術(shù)驗(yàn)收條件提出筒身段應(yīng)變不得大于某個(gè)固定值，而該方法無(wú)法說(shuō)明整個(gè)筒身段的應(yīng)變最大值，殼體的其他部位同理無(wú)法找出應(yīng)變最大點(diǎn)或關(guān)鍵點(diǎn)。而采用光學(xué)非接觸式應(yīng)變測(cè)試法，一次的量測(cè)可獲得大范圍的應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)分布，應(yīng)變集中區(qū)域很容易被突顯出來(lái)，而且對(duì)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)無(wú)需打磨、不損傷纖維，這是傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)試方法所做不到的。鑒于接觸式應(yīng)變位移測(cè)量方法的局限性，筆者探討了一種基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的非接觸應(yīng)變位移測(cè)試方法——數(shù)字散斑相關(guān)方法在纖維纏繞殼體內(nèi)壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 相關(guān)測(cè)量原理

測(cè)量原理為：以CCD(電荷耦合器件)數(shù)字?jǐn)z相機(jī)或高速相機(jī)，獲得對(duì)象表面在形變過(guò)程的連續(xù)圖像，并對(duì)對(duì)象表面的灰階特征(speckle pattern)及三維坐標(biāo)定位，精確地計(jì)算出x,y,z3個(gè)軸向的全場(chǎng)位移分布及應(yīng)變分布，追蹤試片表面的特征點(diǎn)以獲得位移場(chǎng)，位移場(chǎng)的梯度即是應(yīng)變場(chǎng)。

圖1 圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)配置

測(cè)量系統(tǒng)也可由多組相機(jī)拼接，以全面多角度獲取物體表面的信息，實(shí)現(xiàn)一次測(cè)量360°而建立物體的三維模型。由2個(gè)相機(jī)組成的圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)配置如圖1所示，系統(tǒng)的CCD 將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)[2]，兩路CCD 信號(hào)連接到視頻信號(hào)切換器，利用視頻信號(hào)切換器可將兩路信號(hào)來(lái)回切換，并把所需信號(hào)送入圖形采集卡，視頻信號(hào)由圖像采集卡進(jìn)行A/D(模擬/數(shù)字) 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字灰圖像存儲(chǔ)在幀存器中，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算出標(biāo)記的位移和試件應(yīng)變值。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)的建立

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：UCAM500A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(用于標(biāo)準(zhǔn)容器的應(yīng)變采集)；85 MPa加載系統(tǒng)(用于標(biāo)準(zhǔn)容器的加載)；XJTUDIC三維數(shù)字散斑動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)；Vic-3D非接觸式全場(chǎng)形變測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)容器為纖維纏繞150殼體、纖維纏繞480殼體。

3 對(duì)比試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

3.1 纖維纏繞殼體表面的處理及系統(tǒng)的標(biāo)定

針對(duì)光學(xué)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品表面的要求，采用兩種方式對(duì)纖維纏繞殼體進(jìn)行了表面處理[3]，分別為:在白基色上加上輕微噴灑的、大小不均的黑點(diǎn)(見(jiàn)圖2);使用廠家提供的記號(hào)筆在產(chǎn)品表面進(jìn)行標(biāo)記(見(jiàn)圖3)。

圖2 自噴漆涂層的表面

圖3 特制記號(hào)筆進(jìn)行標(biāo)記的表面

散斑技術(shù)測(cè)量應(yīng)變系統(tǒng)使用標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定(見(jiàn)圖4)，再利用軟件進(jìn)行三維校準(zhǔn)。

圖4 使用標(biāo)定板對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定

3.2 纖維纏繞殼體應(yīng)變測(cè)試對(duì)比試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)150纖維纏繞殼體分別采用XJTUDIC系統(tǒng)及Vic-3D光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了兩次試驗(yàn)，在內(nèi)壓加載試驗(yàn)過(guò)程中，同時(shí)使用傳統(tǒng)電測(cè)法和光學(xué)非接觸法應(yīng)變測(cè)試，測(cè)試部位見(jiàn)圖5。采用XJTUDIC系統(tǒng)時(shí)，對(duì)表面使用自噴漆涂層，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。采用Vic-3D系統(tǒng)時(shí)，對(duì)表面使用特制記號(hào)筆涂層，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 殼體應(yīng)變測(cè)點(diǎn)及光學(xué)應(yīng)變檢測(cè)區(qū)域

表1 XJTUDIC系統(tǒng)非接觸法與應(yīng)變片法檢測(cè)150纖維纏繞殼體筒段的微應(yīng)變(με)數(shù)據(jù)

由表2可見(jiàn)，3號(hào)數(shù)據(jù)明顯偏大，初步分析認(rèn)為是此部位的膠層開(kāi)裂引起了數(shù)據(jù)的跳變。下面以應(yīng)變片所測(cè)實(shí)際值(真值)為基準(zhǔn)[4]，對(duì)上述試驗(yàn)光學(xué)非接觸式應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)所測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差進(jìn)行分析，計(jì)算方法如式(1)，(2)所示,具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)變片與光學(xué)非接觸應(yīng)變測(cè)量的微應(yīng)變(με)結(jié)果與誤差

Ea=x-μ0

(1)

(2)

式中：Ea，Er分別為絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差；x為測(cè)量值；μ0為真值。

由表3可知，數(shù)據(jù)91.89%在一組測(cè)量值中明顯偏大，這樣的測(cè)量值稱(chēng)為離群值或可疑值，其已超出隨機(jī)誤差的限度，屬于異常值，應(yīng)該舍去。 所得的相對(duì)誤差范圍為0.29%～9.7%，與筆者在日常工作中使用應(yīng)變片所測(cè)纖維纏繞殼體所得數(shù)據(jù)一致，符合在同一環(huán)向的變化規(guī)律。

3.3 光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)纖維纏繞殼體封頭部位的全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)試及結(jié)果

采用XJTUDIC光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)480纖維纏繞殼體封頭部位進(jìn)行了全場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)，表面處理使用自噴漆，具體位置見(jiàn)圖6。最高進(jìn)行了7 MPa的水壓試驗(yàn)，XJTUDIC光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)最大主應(yīng)變見(jiàn)表4。圖7，8分別為XJTUDIC光學(xué)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)480纖維纏繞殼體在3.5 MPa，7 MPa下的應(yīng)變?cè)茍D。

表4 光學(xué)散斑所測(cè)480纖維纏繞殼體的最大主應(yīng)變數(shù)據(jù) %

圖6 480纖維纏繞殼體應(yīng)變測(cè)點(diǎn)及光學(xué)應(yīng)變測(cè)試區(qū)域

圖7 480纖維纏繞殼體在3.5 MPa下的應(yīng)變?cè)茍D

圖8 480纖維纏繞殼體在7 MPa下的應(yīng)變?cè)茍D

測(cè)試部位為橢球面，由表4可直接得出此部位的最大主應(yīng)變，從圖7，8可以全面地了解所測(cè)面積內(nèi)的應(yīng)變，可以看出非接觸光學(xué)應(yīng)變測(cè)試方法具有非接觸式、全場(chǎng)測(cè)量、多樣性數(shù)據(jù)輸出等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于纖維纏繞殼體同時(shí)還存在著試驗(yàn)后殼體表面難清理等缺點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可以看出，采用噴涂制作散斑的方法具有測(cè)量面積較大的優(yōu)點(diǎn)，但在試驗(yàn)后纖維纏繞殼體表面清理較困難，記號(hào)筆點(diǎn)畫(huà)法制作散斑的方法可以靈活地在關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)易清理。與傳統(tǒng)的應(yīng)變片電測(cè)法相比，光學(xué)非接觸式應(yīng)變測(cè)量方法具有可全場(chǎng)測(cè)量、測(cè)量范圍寬的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析證實(shí)了光學(xué)非接觸式應(yīng)變測(cè)試方法應(yīng)用于纖維纏繞殼體內(nèi)壓結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的可行性。