方新文，刘颖茜
(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)
数字图像相关技术(Digital Image Correlation，DIC)是一种基于机器视觉的非接触测量方法[1]，通过跟踪物体表面形变前后两幅散斑图像中同一像素点的位置来获得该像素点的位移量，从而得到试件表面的全场位移。
三维全场应变测量分析系统结合DIC与双目立体视觉技术，通过追踪物体表面的散斑图像，实现对变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的动态测量。该系统可用来分析轮胎动态模拟试验中飞机轮胎受载旋转时胎侧的形变场和应变场。
以某航空轮胎为例，进行三维全场应变测量分析系统设计。轮胎试验要求如下：(1)机轮直径：1450mm；
(2)最大线速度：500km/h；
(3)采样部位：轮胎胎侧；
(4)研究内容：胎侧的全场形变、应变场；
(5)形变测量精度：0.1mm；
(6)应变测量精度：200με。
三维全场应变测量分析系统由2台高速摄像相机、1组定焦镜头、控制箱、图形工作站、专用高亮光源、标定板以及防护装置等组成，实现相机对轮胎每转一圈、每圈转到同一位置时的触发采样拍摄。
3.1 关键参数设计
系统关键参数主要指高速相机分辨率、帧率、曝光时间。
(1)分辨率。为了满足0.1mm位移精度的高精度拍摄要求，进行相机要求参数分析计算。图1所示为机轮与鼓轮位置关系示意图。
图1 机轮与鼓轮位置关系示意图
取1500mm×1500mm拍摄幅面，则相机计算分辨率为：
由于15000pix过大，在静态下系统可采用亚像素分析方法将测试精度提高10倍，选用分辨率为400万(2336×1728)的高分辨率相机。则物理位移精度为：
结合现场试验条件，采用亚像素分析计算方法，实际位移精度可达到0.1mm。
(2)曝光时间。已知机轮线速为140m/s，需要将相机曝光时间尽可能缩短来减少拖影产生的影响，DIC技术保证精度的前提是曝光时间内位移量小于1pix(准静态)。由以上分析，相机的曝光时间在5μs以内即可。计算在5μs曝光时间内机轮刚性位移为：5μs×140m/s=0.7mm=0.8pix<1pix，满足条件。
(3)帧率。采用机轮旋转一圈采集15张图像的采样方式，已知轮胎最大转速为32r/s，则相机最低帧率为：15张×32r/s=480fps。
3.2 现场布局设计
三维全场应变测量分析系统使用高速3D-DIC技术，由2台400万分辨率、满幅帧率560fps的高速摄像相机，1组定焦镜头，控制箱，图形工作站，专用高亮光源，标定板以及防护装置等组成。DIC分析软件为GOM Correlate，具备应变X、应变Y和应变XY，最大主应变、最小主应变的分析。系统布局如图2所示。
图2 系统布局图
系统采用远程控制的方式，操作人员操作控制室里配置的笔记本，与安置在现场的图形工作站之间通过以太网形成的局域网进行通信。依据实时采集物体各个变形阶段的散斑图像，利用图形相关算法进行物体表面变形点的立体匹配，重建出匹配点的三维空间坐标。对位移场数据进行平滑处理和应变信息可视化分析，实现快速、高精度、实时、非接触式的三维应变测量。由于轮胎线速度较高，为避免拖影现象，选用最短曝光时间为1μs的相机，同时配备专用光源增加拍摄亮度。系统通信如图3所示。
图3 系统通信示意图
3.3 试验流程设计
(1)在轮胎胎侧制备散斑图案，并进行散斑质量评估。
(2)架设相机及光源，相机测量距离约2000mm，相机间距约820mm。在安全范围内，光源尽量距轮胎较近。
(3)采样方式：
采集不同圈数下轮胎转到同一位置的图像，可以采用在轮胎上贴反光条的光电触发方式或外部旋转编码器给角度信号进行触发的方式(如图4所示)。
(4)数据处理：获取半胎位移场(总方向和xyz各方向)和全胎应变场(最大/小主应变、xy向应变)。
图4 表面制备
通过搭建的三维全场应变测量分析系统，获得的试验结果如图5所示。从某机轮动态试验的轮胎全场应变分析结果可以看出，轮胎在旋转过程中周期性受载，其应变曲线成规律性的波动，其单点的应变与应变片测量结果相比高度吻合。
图5 轮胎拉格朗日应变分析
本文利用高速3D-DIC技术，搭建了三维全场应变测量分析系统，与传统的贴应变片测量相比，该系统测量应变的准备工作较少，不需要人工粘贴大量的应变片，只需喷涂散斑即可；
分析范围大，数据区域整体性强；
以应变片测量结果为标准，分析结果精度高，具备较高的可靠性，可适用于高速运动的物体。因此，该系统的设计有利于航空轮胎动态试验分析。