数字图像相关方法在民机结构强度试验中的应用研究

曾小虎　李赞澄

【摘 要】基于某民机结构强度试验室，探讨了数字图像相关方法与传统应变测试方法的优缺点，论证了数字图像相关方法在民机结构强度试验中的必要性，并提出了数字图像相关测量系统的设计方案以满足该民机强度试验室多样化测量需求。

【关键词】民机；结构强度试验室；数字图像相关方法

0 引言

结构强度试验是民机结构设计研发过程中必不可少的基本条件之一，从结构选材到性能验证整个漫长的研发过程中，大量材料、元件、组件、部件的选用和设计都离不开试验的支持和验证。而随着我国民机事业的蓬勃发展，民机的结构、受载状态越来越复杂，民机结构强度试验对应变测试技术和测试方法也提出了更高的要求，如三维应变场测试问题、测试系统的抗电磁干扰问题以及接触测量所导致的被测对象动态特性的变化问题等，致使传统的测试方法难以达到理想的测试效果。

因此，数字图像相关方法以其全场测量、非接触等优势得到了极大的关注[1]。近年来，数字图像相关方法发展迅速，已经成功地应用于各种材料的力学行为测试、动态测量、断裂力学分析等方面中。本文以某民机结构强度试验室为例，探讨了数字图像相关方法与传统应变测试方法的优缺点，论证了数字图像相关方法在民机结构强度试验中的必要性。

1 数字图像相关方法介绍

1.1 数字图像相关方法简介

数字图像相关方法（Digital Image Correlation），是一种基于数字摄影技术与数字图像处理技术的非接触式光学测量方法，也称为数字散斑相关方法，简称DIC方法。这种方法主要用于测量在外载荷或者其他因素作用下材料或者结构的变形场。它是图像处理与识别技术、现代先进光电技术以及计算机技术相结合的产物，是现代光测力学领域的研究热点。

1.2 数字图像相关方法基本原理[2]

数字图像相关方法通过处理不同状态下试件表面的两幅数字图像，获取需求像素点的位移信息，并利用变形前后图像的散斑灰度特征建立对应关系。然后依据这种对应关系，在变形前后图像上寻找对应点，最终得到所求位移值。其中，变形前、后的图像分别称为参考图像和目标图像。基本原理示意图如图1所示：

符号<>表示矩阵元素的平均值。当C=1时，表示两个子区域完全相关；C=0时，表示两个子区域毫无相关。采用数字图像相关方法进行计算时，通常将参考图像中待计算区域以虚拟网格形式进行划分，然后计算每个网格节点的位移，从而得出全场位移。

2 数字图像相关方法与传统应变测试方法对比

2.1 传统应变测试方法

传统的应变测试方法是应变电测法。通过应变电测法进行应变测量是对工程结构件设计、制造和装配的可靠性以及安全性进行测试、分析和评估的常用手段，目前已广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等工程领域。图2所示为应变电测法在航空领域的应用。

应变电测法首先通过粘贴于试件表面的电阻应变片进行应变测量，并绘制应力—应变曲线，再根据该曲线确定试件的表面应力状态，从而进行试验应力分析。测量流程如图3所示：

2.2 数字图像相关方法与传统应变测试方法对比分析

对于现代民机结构强度试验的应变测量，一般有两种方法：接触式和非接触式。

接触式方法中最常用的应变电测法是一种表面应变逐点测量方法，技术成熟，距今已有70年左右的历史，应用范围涉及各种行业领域[3]。具有如下优点：

1）应变片尺寸小、重量轻，粘贴方便，对试件的工作状态和应力分布影响小；

2）测量灵敏度和精度高，常温测量时精度可达到1%～2%；

3）频率响应快，机械滞后小；

4）技术成熟，应用广泛。

但是，应变电测法受到其测量手段的限制，具有如下局限性：

1）尽管应变片尺寸可以很小，但是对应力集中的测量仍不够精确；

2）一枚应变片只能测一个“点”，而且测出的应变只能代表栅长范围内的平均应变；

3）应变电测法只能进行表面应变测量，无法进行三维应变测量。

非接触式方法中趋于成熟的数字图像相关方法起源于上世纪八十年代，可以直接采用自然光源或白光源，通过高分辨率的CCD或CMOS相机采集图像，并利用相关算法处理图像信息，从而得出全场应变。由于数字图像相关方法的测量精度取决于数字图像的分辨率和清晰度，因此随着科技和数字化的不断发展，数字图像相关方法的测量精度也在不断提升[4]。该方法的优点如下所述：

1）属于光学测量方法，抗电磁干扰能力强；

2）属于非接触式测量方法，具有应变电测法所不能达到的全场测量优势，既可以测量结构的表面应变，也可以测量结构内部的应变；

3）该方法可以直观反映出应力集中现象，不仅很容易找到应力集中的部位，而且可以确定应力集中系数；

4）可以进行三维应变测量。

但是，数字图像相关方法同样存在一些技术缺陷：

1）对于极限环境下的应变测量，需对相机镜头进行保护；

2）使用前需对摄像系统进行标定；

3）技术不够成熟，无法完全取代应变电测法。

通过对数字图像相关方法和应变电测法的优缺点进行对比分析，可以看出数字图像相关方法拥有应变电测法所无法达到的全场测量优势，弥补了应变电测法的缺陷，具有可观的应用前景。

3 数字图像相关方法应用的必要性

在民机强度试验中，传统的应变电测法可以完成大部分的应变测量任务。但是有时会遇到结构应力状态未知的情况，应变电测法难以准确获取结构的最大应力区域，这时测量结构的全场应变显得尤为重要。而通过数字图像相关方法可以获取结构的全场应变并以图像的形式直观地显示出最大应力区域。

以某民机强度试验室为例，根据该试验室试验能力的规划，分析其应变测量需求。

该民机结构强度试验室规划的总体试验能力为：

1）能够同时进行两项部件级静强度试验和两项部件级疲劳试验；

2）能同时开展十项组（元）件级静强度及疲劳试验。

对于组（元）件级静强度及疲劳试验，传统的应变电测法是可以满足测量需求的。然而，对于部件级静力和疲劳试验，由于部件级结构和负载状态相当复杂，所以这些结构的应力状态在试验前是未知的，这时采用数字图像相关方法测量结构的全场应变，可以获得更为理想的测量效果。

由此可见，对于该民机强度试验室元件、组件及部件级静力与疲劳试验，采用数字图像相关方法来辅助传统应变电测法进行数据测量是相当必要的。

4 数字图像相关测量系统设计方案

4.1 数字图像相关测量系统构成

通过上一章的分析可知，数字图像相关方法可以弥补传统应变电测法无法进行全场测量的缺陷，因此为满足民机强度试验多样化的应变测量需求，提出了数字图像相关测量系统的设计方案。该系统的主要构成如图4所示，包括应变测量头、CMOS高速相机、控制器、LED照明装置、图形工作站、分析软件、三角架和数据线。

4.2 数字图像相关测量系统技术特点

数字图像相关测量系统采用立体双CMOS相机测量技术，基于数字图像相关原理，利用一个灵活的触发器读取并记录负载信号，控制系统进行同步的图像采集。系统具备极高的可靠性和测量精度，测量范围可以根据需要进行调整，可以准确和实时地测量大量反光靶点的动态位置坐标，通过对试件在不同负载条件或不同运动条件下靶点位置进行测量，准确计算出试件相应位置的位移和变形，结果以动态图形化显示和输出。

该套系统适于测量和计算在负载和温度变化条件下刚性零件的位移、物体的变形、轨迹以及零件的动态特性。能够测得试件表面三维全场应变图，真实应力-应变曲线，系统可开展高速拉伸条件下的全场和局部应变测试、常温和高低温环境下动静态力学测试和疲劳试验的测量要求，并且可以实时测量定静、动态测试中的应力分布，图形化显示，立即识别出临界区域、从而为材料或者结构的测试和分析提供准确可靠的力学数据。

5 结论

本文基于某民机强度试验室，讨论了两种应变测量方法的优缺点，通过分析，论证了数字图像相关方法在民机强度试验中的必要性，并提出了数字图像相关测量系统的设计方案，丰富了该民机强度试验室的试验手段，提高了该试验室的试验能力。

【参考文献】

[1]方如华.光测力学的研究现状和展望[J].上海力学，1989，10（03）：68-72.

[2]王怀文，亢一澜，谢和平.数字散斑相关方法的应用研究进展[J].力学进展，2005，35（02）：195-203.

[3]郑俊，赵红旺，朵兴茂.应力应变测试方法综述[J].汽车科技，2009（1）：5-8.

[4]潘兵.数字图像相关方法及其在实验力学中的应用[D].清华大学，2007.

[责任编辑：王伟平]