数字图像相关方法在机身壁板试验中的应用研究

王昌林，谢宇航，张文东

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

大型运输类飞机的机身壁板通常是由框、长桁和蒙皮等元件构成，是组成飞机承力结构的重要单元，该组件在载荷的作用下所呈现的力学特性关乎飞机的飞行安全与经济效益[1]。进行机身壁板类结构的强度试验，能够有效地获取壁板的力学特征，从而为机身结构设计与分析工作提供可靠的数据基础[2，3]。

美国的NASA及德国的IMA作为该领域具有代表性的研究机构，在机身壁板类试验领域有着丰富的经验，同时也开发了多个试验装置，积累了大量的相关技术与数据。在国内，臧伟峰等通过扭转单闭室盒段施加机身壁板剪切载荷，设计了“D”字形试验装置，较好地模拟了机身壁板剪切载荷边界条件[4]。针对机身壁板进行的力学试验大多采用应变片配合采集系统作为测量手段，该应变测量方式具有尺寸小、灵敏度高、响应快及技术成熟的特点，但只能附着于壁板表面进行点测量。

随着机身壁板试验技术的发展，对测量技术与方法提出了更高的要求。数字图像相关法(Digital Image Correlation，DIC)在20世纪80年代被提出，该方法通过简单的光路实现了非接触全场测量。通过多年的发展与核心算法优化，自动化程度与计算精度得到了大幅提升，因此在力学测试领域被广泛使用[5]。本文将数字图像相关方法应用于大曲率圆筒剪切强度静力试验中，以高效的手段获取了精确的试验数据，通过对比分析获取了试验对象的力学性能。

2 数字图像相关方法

数字图像相关法也称为数字散斑相关方法，是一种基于计算机视觉技术和数字图像处理技术的非接触式测量技术。在数字图像中，被摄物体表面所反射的光强度称为灰度，灰度为该像素点的特有属性，与物体表面成对应关系。当物体表面发生位移或变形时，该区域内的图像信息发生相应改变(变形前称为参考图像，变形后称为变形图像)。通过特定的算法程序，将变形前后的图像信息进行图像相关分析并计算出图像的位移信息，进而获得物体表面的变形量。

数字图像相关法的基本原理如图1所示，点P为参考图像上的一点，以该点为中心选取矩形图像子区，并获得该子区的像素灰度信息。点P发生位移后移到点P′，记录变形图像子区的像素灰度信息。Q点为点P的一系列临近点，根据变形的连续性，在变形后图像中Q′点依旧是P′点的临近点[6]。

图1 数字图像相关方法基本原理

在对变形前后的图像进行相关搜索时，程序根据相关函数的值来确定目标区域的准确位置。标准互相关函数是常用的相关函数，其表达式如下：

(1)

3 试验内容

采用全尺寸机身结构(如整机、等直段等大部件)作为试验对象来研究壁板的力学性能将带来高昂的试验费用和较长的试验周期。若采用机身桶段代替全尺寸部件来进行试验，通过精确的载荷施加与边界模拟，不但能够精准掌握壁板结构的力学性能，而且能够有效节约成本，缩短试验周期[8，9]。本文使用大曲率圆筒作为试验对象，试验件曲率半径为500mm，长桁间距为160mm，框距为500mm，试验件总长2000mm。试验件长桁为Z形型材；蒙皮材料为铝合金；框为铝合金钣金件，带老鼠洞和长桁角片的Z形结构，试验件示意图如2所示。

图2 试验件示意图

桶段两端通过角盒分别与加载端夹具和支持端夹具固定连接。试验件过渡段端部角盒通过环向螺栓与支持端夹具固定连接，支持端夹具固定约束在承力立柱上。该方案由加载装置、扣重装置及防偏心装置组成。扣重方案是为了消除加载装置及试验件自重对加载精度的影响，防偏心装置是为了避免试验件扭转过程中产生偏心。因此，在加载装置过圆筒轴心处采用销轴限位措施，销轴座支架与承力地坪固定连接，保证了销轴及销轴座在偏心力作用下位置固定。该试验方案如图3所示。

图3 试验方案示意图

参考MTS曲板计算，计算得到试验件的蒙皮临界屈曲应力和极限承载能力。对于1.5mm厚度的蒙皮，纯剪失稳临界应力为66MPa，纯剪切载荷时的极限承载能力为90MPa，失效模式为强迫失稳，对应的剪流大小为135N/mm，对应的圆筒扭矩为220kN·m。本文将100%试验载荷定义为P[10]，通过载荷处理，将P处理为一对力偶，利用作动筒施加在加载夹具上下两端。由于实际破坏载荷可能大于100%试验载荷，保守取1.5倍试验载荷作为夹具强度校核输入载荷。利用Abaqus有限元分析软件对夹具整体进行有限元分析，加载夹具最大Mises应力为142.69MPa<[σ]，最大剪应力为52.06MPa<[τ]，经校核，加载系统强度满足试验要求。加载端示意图如图4所示。

图4 加载端示意图

4 试验测量

数字图像相关测量系统采用两个稳定固定的相机，其测量范围可覆盖从几毫米到数米的试验件。首先，对试验件表面喷涂随机散斑或规则图案进行表面处理。在试验过程中，散斑会跟随试验件一同发生变形，相机不断对试验件进行图像采集，获得每幅测量图像中试验件的光学信息。基于数字图像相关方法进行图像处理，得到试验件的全场空间位移及表面应力，测量结果能够以三维全场、应变分布曲线及统计结果等形式进行输出[11]，测量现场如图5所示。

图5 测量现场照片

本试验中，DIC全场光测的测量区域为右侧外蒙皮2框、3框、23长桁和27长桁所围成的区域，实际喷涂DIC散斑时，将DIC全场光测的测量区扩展至3框和4框中间区域，如图6所示。

4.1 蒙皮永久屈曲试验

蒙皮永久屈曲试验的主要目的是获得蒙皮发生永久屈曲时的载荷大小和应力水平。经计算，试验件蒙皮发生永久屈曲的剪应力约为70MPa，对应79%试验载荷，将该数值作为试验参考。在试验时，通过逐级加载和卸载以获得蒙皮发生局部变形时的载荷。载荷应变曲线在83%P时发生拐折，说明此时试验件发生了剪切失稳，但对应DIC位移云图并未出现明显变化(见图7)。

(a)失稳前

(b)失稳后图7 失稳前后DIC位移云图

加载至87%P卸载后蒙皮大部分应变值未能回到零点，因此判定试验件在87%P时蒙皮产生了塑性变形，DIC位移云图出现明显变化，如图8所示。因此，蒙皮在87%P时产生了永久屈曲变形。

图8 永久屈曲变形前后DIC位移云图

4.2 破坏试验

加载至P的90%、91%、92%和95%时试验件发出响声。加载至100%P后保载3s，试验件未发生破坏。在100%P试验保载3s后继续以1%P加载，在P的101%、104%时试验件发出声响。加载至113.9%P时，随着一声巨响，试验件失去承载能力受剪破坏。试验获取了有效的应变、位移数据和DIC测量数据，右侧蒙皮考核区DIC位移云图见图9。

(a)0%P

(b)70%P

(c)100%P

(d)113%P图9 破坏试验右侧蒙皮考核区DIC位移云图

根据破坏试验载荷-应变曲线可知，破坏试验蒙皮的失稳载荷比剪切失稳临界值测量试验低。试验件蒙皮临界失稳载荷为87%P，失稳后卸载，再进行破坏试验，蒙皮失稳载荷前移至约60%P。试验件破坏时现场照片如图10所示。

图10 试验件破坏时现场照片

5 结 论

本文设计制造了机身壁板剪切试验装置，用以模拟大曲率圆筒支持边界条件，针对剪切载荷进行了精确施加，加载过程平稳。在实际测量过程中，基于数字图像相关方法进行了测量原理及测量结果处理等相关问题的研究，最终确立了测量方案，取得了有效的试验数据。经过对试验结果的对比分析，验证了试验方案的正确性、合理性及该测量技术的精确性。试验结果表明，大曲率圆筒蒙皮失稳载荷为83%P、永久屈曲载荷为87%P，破坏载荷为113.9%P。在壁板类试验中，应用数字图像相关法进行测量能够在保证测量精度的前提下大幅提高试验测量效率，在一定程度上填补了该技术在壁板类试验中的应用空白。