纤维缠绕壳体内压结构强度试验中的光学非接触式应变测试方法

郑荣田，李 辉2，张 波，苏丽芳

(1.西安航天复合材料研究所，西安 710025；2.火箭军装备部驻西安第一代表室，西安 710025)

在研究各种材料本构关系的试验过程中,实时应变的测量方法很多,总体上可分为两种，接触式和非接触式。而对于一些高分子材料、纤细柔性材料和温度场中材料的试验来说, 接触式应变测量存在定位困难、操作复杂等问题。散斑测量种类繁多,如散斑干涉可以测量物体的位移、应变和振动等，其优点是测量范围大、精度高,光路较简单,一般不需隔振台,对光源功率要求低，缺点是要求有相干光,仪器方面实现起来会有一定的不便;另外，还有白光散斑测量,该方法是人为地在物体表面上制造随机分布的散斑,如在物体表面喷涂玻璃微珠、银粉漆或在白的背景上喷黑斑点，以及在透明物体内部混入微小颗粒等。当物体受力变形时,被白光照射的散斑仅随物体表面一起运动,然后得到散斑点的变化情况,从而测量出位移、实时应变等[1]。目前白光散斑法已在位移、振动和曲表面变形的测量中得到应用,其特点是简单易行,是一种具有发展前途的新方法。使用电测法进行测试时，只能对壳体局部很小的面积进行测试，且只能进行点测，特别是筒身段，现技术验收条件提出筒身段应变不得大于某个固定值，而该方法无法说明整个筒身段的应变最大值，壳体的其他部位同理无法找出应变最大点或关键点。而采用光学非接触式应变测试法，一次的量测可获得大范围的应变场数据分布，应变集中区域很容易被突显出来，而且对应变测点无需打磨、不损伤纤维，这是传统应变测试方法所做不到的。鉴于接触式应变位移测量方法的局限性，笔者探讨了一种基于数字图像处理技术的非接触应变位移测试方法——数字散斑相关方法在纤维缠绕壳体内压结构强度试验中的应用。

1 相关测量原理

测量原理为：以CCD(电荷耦合器件)数字摄相机或高速相机，获得对象表面在形变过程的连续图像，并对对象表面的灰阶特征(speckle pattern)及三维坐标定位，精确地计算出x,y,z3个轴向的全场位移分布及应变分布，追踪试片表面的特征点以获得位移场，位移场的梯度即是应变场。

图1 图像相关测量系统配置

测量系统也可由多组相机拼接，以全面多角度获取物体表面的信息，实现一次测量360°而建立物体的三维模型。由2个相机组成的图像相关测量系统配置如图1所示，系统的CCD 将光强信号转换成视频信号[2]，两路CCD 信号连接到视频信号切换器，利用视频信号切换器可将两路信号来回切换，并把所需信号送入图形采集卡，视频信号由图像采集卡进行A/D(模拟/数字) 转换，转换后形成数字灰图像存储在帧存器中，由计算机进行相关运算，计算出标记的位移和试件应变值。

2 试验系统的建立

试验系统主要包括：UCAM500A数据采集系统(用于标准容器的应变采集)；85 MPa加载系统(用于标准容器的加载)；XJTUDIC三维数字散斑动态应变测量分析系统；Vic-3D非接触式全场形变测量系统。试验容器为纤维缠绕150壳体、纤维缠绕480壳体。

3 对比试验过程及结果分析

3.1 纤维缠绕壳体表面的处理及系统的标定

针对光学应变测试系统对被测产品表面的要求，采用两种方式对纤维缠绕壳体进行了表面处理[3]，分别为:在白基色上加上轻微喷洒的、大小不均的黑点(见图2);使用厂家提供的记号笔在产品表面进行标记(见图3)。

图2 自喷漆涂层的表面

图3 特制记号笔进行标记的表面

散斑技术测量应变系统使用标定板进行标定(见图4)，再利用软件进行三维校准。

图4 使用标定板对系统进行标定

3.2 纤维缠绕壳体应变测试对比试验及结果

对150纤维缠绕壳体分别采用XJTUDIC系统及Vic-3D光学应变测量系统进行了两次试验，在内压加载试验过程中，同时使用传统电测法和光学非接触法应变测试，测试部位见图5。采用XJTUDIC系统时，对表面使用自喷漆涂层，试验结果见表1。采用Vic-3D系统时，对表面使用特制记号笔涂层，试验结果见表2。

图5 壳体应变测点及光学应变检测区域

表1 XJTUDIC系统非接触法与应变片法检测150纤维缠绕壳体筒段的微应变(με)数据

由表2可见，3号数据明显偏大，初步分析认为是此部位的胶层开裂引起了数据的跳变。下面以应变片所测实际值(真值)为基准[4]，对上述试验光学非接触式应变测试系统所测应变数据的绝对误差和相对误差进行分析，计算方法如式(1)，(2)所示,具体结果见表3。

表3 应变片与光学非接触应变测量的微应变(με)结果与误差

Ea=x-μ0

(1)

(2)

式中：Ea，Er分别为绝对误差和相对误差；x为测量值；μ0为真值。

由表3可知，数据91.89%在一组测量值中明显偏大，这样的测量值称为离群值或可疑值，其已超出随机误差的限度，属于异常值，应该舍去。 所得的相对误差范围为0.29%～9.7%，与笔者在日常工作中使用应变片所测纤维缠绕壳体所得数据一致，符合在同一环向的变化规律。

3.3 光学应变测量系统对纤维缠绕壳体封头部位的全场应变测试及结果

采用XJTUDIC光学应变测量系统对480纤维缠绕壳体封头部位进行了全场对比试验，表面处理使用自喷漆，具体位置见图6。最高进行了7 MPa的水压试验，XJTUDIC光学应变测量系统所测最大主应变见表4。图7，8分别为XJTUDIC光学应变测量系统所测480纤维缠绕壳体在3.5 MPa，7 MPa下的应变云图。

表4 光学散斑所测480纤维缠绕壳体的最大主应变数据 %

图6 480纤维缠绕壳体应变测点及光学应变测试区域

图7 480纤维缠绕壳体在3.5 MPa下的应变云图

图8 480纤维缠绕壳体在7 MPa下的应变云图

测试部位为椭球面，由表4可直接得出此部位的最大主应变，从图7，8可以全面地了解所测面积内的应变，可以看出非接触光学应变测试方法具有非接触式、全场测量、多样性数据输出等优点，对于纤维缠绕壳体同时还存在着试验后壳体表面难清理等缺点。

4 结语

通过检测结果可以看出，采用喷涂制作散斑的方法具有测量面积较大的优点，但在试验后纤维缠绕壳体表面清理较困难，记号笔点画法制作散斑的方法可以灵活地在关键区域进行测量，相对易清理。与传统的应变片电测法相比，光学非接触式应变测量方法具有可全场测量、测量范围宽的优势，经试验及数据分析证实了光学非接触式应变测试方法应用于纤维缠绕壳体内压结构强度试验的可行性。