基于二维高速摄影系统的面内碰撞实验研究

晏 芳， 邓小伟， 余征跃， 洪嘉振

(上海交通大学 工程力学系，上海 200240)

基于二维高速摄影系统的面内碰撞实验研究

晏 芳， 邓小伟， 余征跃， 洪嘉振

(上海交通大学 工程力学系，上海 200240)

以圆柱杆-圆盘为实验对象，进行面内对心正碰实验。研究利用激光测振仪(LDV)、应变片以及二维高速摄影系统准确测量碰撞实验的动态响应的方法，并综合对比其优缺点。实验结果显示，激光测振仪和应变片分别能准确测量单点的速度和应变响应；二维高速摄影系统能测量全场的速度和应变响应，进而对接触碰撞的应变变化过程进行观察，这也验证了数字图像相关(DIC)技术在低速碰撞领域的适用性。但在碰撞分离后，碰撞激发圆盘自由振动所引起的离面位移，会导致二维高速摄影系统所测的应变和速度产生较明显的虚假振荡。

碰撞；实验；高速摄影；激光测振；接触动力学；数字图像相关

碰撞问题广泛存在于各个领域，如航天器对接中对接环的接触碰撞、卫星帆板展开锁定时的撞击等。碰撞问题因其时间短、碰撞力大等特征在系统动力学分析中产生重要影响。近年来碰撞问题的理论分析和数值计算方面的研究比较深入[1-2]。但因碰撞响应时间短、频率高、碰撞力大，碰撞问题的实验方面对设备和方法的要求较高，还有待进一步深入。

碰撞问题的实验研究具有重要意义：一方面可以检验理论分析和数值计算的正确性，如FLORES等[3]通过圆柱杆回弹实验证明其所提出的接触力模型；另一方面也可以对理论分析和数值仿真进行指导，如李敏等[4]通过球杆碰撞实验验证了赫兹接触力模型在低速碰撞领域的适用性。碰撞实验主要研究测量碰撞过程中系统动态响应的方法[5]，包括速度和应变响应，如SERIFIED[6]圆柱杆和半圆盘碰撞实验研究。目前速度响应测量通常选用激光测振仪进行测量，应变响应选用合适的应变片进行测量，这种两种测量方法获得广泛认可[7]。但这些测量方法只能测量系统单点的动态响应，具有一定的局限性。

近年来数字图像相关技术发展迅速，在静态位移场和应变场中得到广泛应用[8]。它突破了传统测量方法只能得到单点响应的局限，且消除了接触式测量方法所产生的惯性跟随、界面反射等效应，因此逐渐运用在动态响应的测量中，如章超等[9]采用高速摄影观测泡沫铝在SHPB冲击过程中的变形实验。但高速摄影技术是否适用于低速的碰撞领域仍待考察。为了验证这一问题，本文以圆柱杆和圆盘为对象进行面内的对心正碰实验，综合应变片、激光测振仪、高速摄影系统对实验的应变和速度响应进行测量，互相对比验证。

1 实验对象及实验过程

以圆柱杆和圆盘为实验对象，其几何和材料参数见表1。实验系统如图1所示。圆柱杆和圆盘被放置在实验平台同一水平面上。圆柱杆用两个相距400 mm的直线轴承固定，保证其自由直线滑动。其头部为球面碰撞点，其末端安装弹射装置；圆盘由实验台上三个圆头支点作水平支撑，以保证其可以自由滑动，圆盘散斑面朝上，背面粘贴应变片。

高速摄影机垂直放置在实验平台上方，LED光源分别从试件前后方倾斜射入，激光测振仪从正前方聚焦照射在圆盘侧端，测量圆盘速度，其信号作为高速摄影系统的触发信号。

表1 几何和材料参数Tab.1 Geometrical and material date

开始实验时，动态信号采集仪连续采集应变片和激光测振仪输出信号，获得对应单点的应变和速度响应曲线。当弹射锁紧装置松开，圆柱杆在弹性势能作用下迅速加速，在直线轴承限制下沿水平Y向运动，离开弹射装置后继续运动直至与圆盘碰撞。激光测振仪测到的速度信号电压达到高速摄影系统触发电压时，以中间触发方式触发高速摄影系统，系统开始采集圆盘碰撞过程的散斑图像，并传输至计算机2，由VIC-2D数字图像相关软件进行分析，获得其表面全场的应变和速度数据。

图1 实验系统示意图Fig.1 The schematic diagram of the test system

2 实验仪器及设置

圆盘的速度采用Polytec OFV-505/OFV-5000型高精度单点激光测振仪进行测量，该仪器测量范围可达0.3 μm/s～10 m/s，最高频率带宽为1 MHz。应变片采用中航电测生产的应变片BE120-05CB，期敏感栅尺寸为0.5 mm×1.2 mm。速度和应变信号由动态信号采集仪测量，其最高采样频率为1 MHz。全场图像采用高速摄影系统测量。高速摄影系统测量由一台Photron FASTCAM SA-X2-1000k-M2高速摄影机以及含有CSI-VIC-2D数字图像采集及数字图像相关分析软件系统的计算机组成。该摄影机为高速黑白CMOS相机，相机灰度级数为12位，分辨率为1 024×1 024像素，全帧最大拍摄速度为12 500帧/秒，在分辨率为128×8像素时达到最高拍摄速度1 080 000帧/秒，实验选用分辨率为512×512像素，拍摄速度为40 000帧/秒。

实验开始前，需要在圆盘表面需要制作散斑场。先在制作表面均匀喷射白色哑光漆，等试样油漆干燥后，用水性记号笔随机制作散斑点。为保证结果局部精度，散斑点直径大小保持在1～1.5 mm，密度保持在每平方厘米30～50个。

二维高速摄影分析结果受离面位移的干扰很大[10]，因此拍摄前需要对相机进行调整。先调整相机方位，使相机垂直于圆盘平面，保证透镜传感器阵列平面与圆盘平行，再调整相机物镜和焦距，使散斑直径大小为3～8个像素，视野区域见图2，区域大小为85 mm×85 mm。

图2 散斑误差评估效果图Fig.2 The evaluation of speckle error

实验开始时，先调整光源、光圈和曝光时间，观测散斑质量，使黑白点对比度超过200。然后利用采集软件对散斑进行误差评估，评估状态越接近紫色，表示评估参数sigma越小，即散斑对实验误差越小。图2是搜索区间为15个像素点时，散斑质量的评估图，从图中可知该状态下散斑质量为较理想。

3 实验结果分析

图3为三次测量圆柱杆碰撞速度响应的曲线。由图可知圆柱杆入撞速度为280 mm/s，且具有较好的重复性。

图3 圆柱杆三次速度曲线Fig.3 Velocity of plate for three times

通过应变片测量得到圆盘B点Y方向应变响应，激光测振仪得到圆盘速度响应。高速摄影系统分析结果可得全场应变和速度响应云图。图4分别为激光测振仪测量得到圆盘速度响应和高速摄影系统的全场平均速度响应对比。图5为高速摄影系统和应变片测量得到的B点应变响应曲线。

两者对比发现，在碰撞接触过程中，应变和速度曲线基本重合，从而证明高速摄影系统同样可以用在碰撞问题的实验研究方面。

但在碰撞后的8 ms的时间内，高速摄影系统分析得到的数据相较传统测量方式测量得到的应变和速度响应，有着比较明显的振荡现象，振荡幅值在50个单位左右，见图4、图5。

图4 圆盘速度曲线Fig.4 Velocity of plate

图5 圆盘B点Y向应变曲线Fig.5 Strain in Y direction of point B in plate

为研究产生振荡的原因，对碰撞后的振荡数据进行频谱分析，发现应变和速度振荡的频率与圆盘某阶固有频率一致。同时查看散斑误差评估参数sigma，发现sigma也出现相同频率振荡。故而猜测振荡现象是由于碰撞激发圆盘的各阶模态，碰撞后圆盘自由振动，从而产生相对圆盘平面的离面位移。二维高速摄影系统测量带有离面位移变化的图像，经过数字图像相关分析其结果就表现出虚假应变和虚假速度，即产生异常振荡。沿Y向轴线取点，观测碰撞后应变振荡情况，发现靠近模态波节处测点的应变的振荡较小，见图6，说明波节处的离面位移较小，该现象验证以上猜测。

图6 圆盘各点Y向应变曲线Fig.6 Strain in Y direction of each point in plate

目前可以从两方面考虑减小或者消除离面位移产生的影响：①如采用长焦镜头[11]进行拍摄可减小离面位移对实验分析结果的影响；②通过测量各点离面位移，对实验结果进行修正[10]可基本消除离面位移的影响。相关方法有待进一步研究。

实验通过高速摄影系统高速摄影系统得到杆前端点速度曲线和圆盘全场应变云图，碰撞接触过程持续约1 ms，共拍摄到42帧图片，分析后观察Y向应变，可以明显观测到应变传播的过程，等间隔选取其中15帧，如图7所示。

图7 碰撞接触过程应变云图Fig.7 The strain of full field in the contact process

4 结 论

本文利用二维高速摄影系统和激光测振仪、应变片分别测量圆柱杆-圆盘平面内的对心正碰实验的速度和应变响应，其测量结果在碰撞接触过程中吻合较好。高速摄影系统可以对全场位移、速度、应变曲线进行测量，弥补了传统测量方法局限于单点响应的不足。但二维高速摄影系统受离面位移影响很大，圆盘自由振动引起的微小离面位移也可以导致测量结果产生虚假位移，表现应变和速度曲线的异常振荡。

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The experiment of in-plane impact based on a two-dimensional high speed camera system

YAN Fang, DENG Xiaowei, YU Zhengyue, HONG Jiazhen

(Department of Engineering Mechanics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

In this study, an in-plane direct impact experiment was designed using a rod and a plane. Three methods were studied in measuring the responses of the experiment, laser-Doppler-vibrometer (LDV), strain gauge, and a high speed camera system. The advantages and disadvantages of the three methods were analyzed. The experiment indicates that LDV and strain gauge could measure the velocity and strain of a single point accurately, while the two-dimensional high speed camera could measure the velocity and strain of whole pattern, which show the development of strain during the contact. The results demonstrate the applicability of the high-speed camera in studying low-speed impact. However, after the contact period, there are some obvious wave errors in the strain and velocity results of the two-dimensional high speed camera owning to the out-plane displacements, which may be caused by the vibration of the plate.

impact; experiment; high-speed camera; laser-Doppler-vibrometer; contact dynamics; digital image correlation

国家自然科学基金资助项目(11132007;11272203;11202126)

2015-11-06 修改稿收到日期：2015-12-08

晏芳 女，硕士，1990年生

余征跃 男，高级工程师，硕士生导师，1969年生

O313.4；O34

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.24.014