箭体壳段结构数字散斑相关测量方法研究

王 群 李雄魁 路志峰 黎汉华 周江帆

(1.北京宇航系统工程研究所,北京 100076； 2.北京强度环境研究所，北京 100076)

1 引 言

壳段结构是火箭系统中连接发动机、提供仪器安装的重要组成部分，需要承受飞行过程中较大的载荷。新设计的火箭壳段结构一般都要进行静力试验，以校核结构的应力、应变、位移等状态。目前壳段结构的静力试验主要以电测法的形式获取相关参数。电测法是借助电阻传感器来获得被测物体表面的应力或应变值，该方法是一种接触式测量，被测量试件有一定的刚度要求，只能针对贴片位置进行点测量，在具体应用上存在较大的局限性，如测量范围有限，复杂位置或因空间限制而无法测量，受环境温度及应变片灵敏度影响需要考虑温度补偿，此外还存在导线多、工序复杂、效率低等一系列问题。尤其对于越来越精细化的壳段结构设计，往往期望获得覆盖面较广的测量数据，减少测量误差，而这种电阻应变测量的方法越来越无法满足箭体结构静力试验的使用要求，因此需要引入一种新型的壳段应力-应变测量方法，即基于数字散斑相关的光学测量方法，以满足结构精细化分析与设计要求。

2 基于数字散斑相关的光学测量方法简介

数字散斑相关方法(Digital speckle correlation method，DSCM)是在 20 世纪 80 年代被提出的光力学测量技术，通过对变形前后结构表面的两幅散斑图进行相关处理来实现结构变形场的测量[1]，具有非接触、全场测量、高测量灵敏度、物体表面局部精细化、高精度的特点，可以弥补传统测量方法在结构件变形较大、材质较软、间隙测量、结构件尺寸小、应力集中等方面的不足[2,3]。

光学测量系统具备以下测量能力：

1)实现物体表面全场、非接触、大变形测量；

2)实现物体表面局部精细化、高精度的测量；

3)实现大结构件空间点三维坐标测量。

近年来，随着 DSCM 理论体系的不断发展，该方法以其良好的环境适应性，已经成为现代光学非接触测量的重要方法，在力学、材料性能领域的位移和应变测量已经获得了很大的成功，其应用领域仍在不断地拓展。

3 数字散斑相关方法测量基本原理

数字散斑相关测量方法主要通过图像采集(CCD摄像机)、图像数字化，记录物体在不同变形时刻或者不同变形状态的两幅散斑图，通过模拟-数字的转换得到数字灰度场，然后通过相关计算，得到相关系数极值点，即根据物体变形前后散斑场的互相关性来获取物体的位移和变形的信息。

数字图像相关方法是在变形前的散斑图中，取以待求点(x，y)为中心的(2M+1)×(2M+1)的矩形图像子区，在变形后的目标散斑图像中通过一定的搜索方法，并通过某一相关函数进行相关运算，寻找与变形前所取矩形子区相关系数为最大值的以点(x*，y*)为中心的(2M+1)×(2M+1)目标矩形区域，从而确定参考散斑图像子区的整像素位移。

从数学上建立衡量图像相似程度的标准，这个标准可选用样本子区中与目标子区的互相关系数，一般可定义互相关系数为[4]

(1)

式中：X——待求的12个自变量，自变量μ，ν是所选样本子区中心点的位移，其余自变量为位移的一阶和二阶导数;f(x，y)——样本子区中某一点(x，y)的灰度;g(x*，y*)——目标子区与(x，y)对应的那一点(x*，y*)的灰度，样本子区和目标子区中各点的联系由下式表示

(2)

4 试验验证

针对箭体壳段结构的地面静力试验，引入数字散斑光学测量方法，对局部较复杂区域应变、位移等情况的监测，以期解决因空间限制无法粘贴应变片，受环境温度及应变片灵敏度影响测量结果，无法获取全场应变等难题，试验装置示意图如图 1所示。

测量位置位于两个舱段连接面。由于被测结构区域为双锥形曲面，坐标系选择上壳段对接面中间点切面为XOY平面，X轴方向水平向右，Y轴方向竖直向上，Z轴由右手定则确定。整个测量历程为零载荷到使用载荷过程。

使用载荷下Y向位移数据如图 2所示，其中云图区域为测量区域。

由图2可知，壳段组合体被测两个区域的Y向变形并不一致，体现为云图出现色阶跳跃现象，其所测最大位移量为9.63mm。分析对接面两点的位移历程曲线可得两壳段对接面间隙增长情况，即两点的位移差为9.45-3.8=5.65mm。

从图 3来看，上壳体测试区变形较为均匀，且应变较小，均不超过1 000微应变。下壳体区域由于结构为装配体，应变分布较为复杂。其中Y向应变分布集中在测试区域下部，应变不超过1 800微应变，X向应变主要集中在诱饵舱上端框区域，最大应变不超过4900微应变。

从光学测量的位移和应变分析结果看，光测数据和常规静力试验应变片测量试验数据一致性较好。

5 结束语

本文针对传统的箭体壳段结构静力试验数据测量方法，提出了基于数字散斑技术的光学测量方法，该方法与传统测试方法相比具有明显优势。

(1)光学测量方法实现了非接触测量，不再局限于结构形式和空间，能够获取复杂表面的全应变场数据，并且简化了传统测量方法繁琐的工序，缩短了测量时间，提高了试验效率。

(2)传统的电测法受设备限制最多能够允许500个测量通道，对于大型复杂壳段结构，数据点的覆盖性较差，而光学测量方法数据更加精细化和全面化，覆盖了整个扫描到的面场，试验数据和有限元计算结果能够相互验证，从而进一步修正有限元计算结果，为有限元计算提供数据库储备。

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

[2] 李明，张珏，温茂萍等．数字散斑相关技术及其应用[J]．信息与电子工程，2005．3(1)：36～39．

[3] 郭海鸿，李晓星．非接触应变测量的数字散斑相关方法的研究[J]．现代制造工程，2007， 11：96～98．

[4] Devore J L, Farnum N R．Applied Statistics for Engineers and Scientists． Pacific Grove， Calif.：Duxbury Press ，1999．