呂元蒙

（中國第一汽車股份有限公司天津技術(shù)開發(fā)分公司）

在汽車的路譜采集和臺架試驗中，應(yīng)變測量是一種常用也比較有效的測量方法。應(yīng)變測量從測量方式上一般可分為接觸式和非接觸式應(yīng)變測量。接觸式應(yīng)變測量通常需將測量元件與被測物粘貼在一起，這樣它才會隨被測物的變形而改變形狀，從而通過測量元件自身的性質(zhì)而獲取應(yīng)變改變的信息。接觸式測量方法具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也比較多，如不能全場測量、不能連續(xù)不斷地進(jìn)行大變形測量等。目前在汽車相關(guān)試驗中大部分采用的都是接觸式應(yīng)變測量。文章主要介紹的是數(shù)字圖像相關(guān)方法（Digital Image Correlation，DIC），又稱為數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)（Digital Speckle Correlation Method，DSCM）在汽車試驗中的應(yīng)用，它是一種非接觸的場變形測量方法，在復(fù)雜載荷、高溫環(huán)境下的變形測試中具有很大的優(yōu)勢。

1 數(shù)字圖像相關(guān)方法原理與Vic-3D 技術(shù)

將試樣表面隨機(jī)分布的散斑點(diǎn)受載荷作用下的變化記錄成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，DIC 利用數(shù)字圖像相關(guān)方法來分析，即利用數(shù)字圖像的灰度值模式來精確測定變形和位移。

1.1 DIC原理

DIC 利用相機(jī)拍攝被測物體在變形過程中的表面圖像，變形前的圖像作為參考圖像，變形后的圖像為目標(biāo)圖像，將參考圖像上的待計算區(qū)域劃分成網(wǎng)格形式，對比變形后的目標(biāo)圖像與變形前的參考圖像，計算每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在X，Y，Z 方向的位移，獲得全場位移信息。采用相機(jī)記錄被測物體加載前后的散斑圖像，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到散斑圖像的灰度場，根據(jù)不同斑點(diǎn)的灰度值進(jìn)行位置搜索并以像素為單元進(jìn)行計算。具體為以散斑圖像中某一點(diǎn)為中心，取一區(qū)域進(jìn)行搜索計算，當(dāng)變形前區(qū)域及像素點(diǎn)與變形后的區(qū)域及像素點(diǎn)完全相關(guān)時，相關(guān)系數(shù)取1，如像素點(diǎn)發(fā)生變形則相關(guān)性下降，物體的位移可以通過搜索最大相關(guān)性點(diǎn)來得到。計算公式為：

式中：C——相關(guān)系數(shù)；

x，y——像素點(diǎn)位置坐標(biāo)；

u，v——像素在x，y 方向的位移；

n——子集的大小或所含像素個數(shù)；

I，I*——移動前、后圖像函數(shù)；

i——x 方向像素點(diǎn)序號；

j——y 方向像素點(diǎn)序號。

針對三維計算，可利用立體三角測量的方法識別空間點(diǎn)。利用2 臺CCD 攝像機(jī)準(zhǔn)確判斷某點(diǎn)在X，Y，Z 軸的變化，對任意兩軸計算相關(guān)系數(shù)可得此點(diǎn)在這兩軸所組成平面內(nèi)的變化，分別計算某點(diǎn)在XOY，YOZ，ZOX 平面內(nèi)的變化情況，從而得出空間中相關(guān)系數(shù)C。立體三角測量的前提是2 條直線在同一個坐標(biāo)系中，因此在測量之前需要先識別空間準(zhǔn)確位置，用2臺相機(jī)建立同一坐標(biāo)系[1]。

1.2 Vic-3D 技術(shù)介紹

Vic-3D 技術(shù)基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，可測量被測物表面全場三維位移、位移速率、應(yīng)變及應(yīng)變速率，且對環(huán)境要求低。Vic-3D 測量系統(tǒng)主要由高分辨率的圖像采集系統(tǒng)（光學(xué)CCD、光學(xué)顯微鏡等）、計算機(jī)及圖像分析軟件所組成。測量時，被測對象受力引起被測表面圖案發(fā)生畸變，該變化被圖像采集系統(tǒng)的2 臺CCD攝像機(jī)記錄下來，試樣變形前后示意，如圖1 所示。然后通過計算分析軟件對2 幅圖像中的相同特征點(diǎn)進(jìn)行匹配追蹤，即可獲得所選特征點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)值及其變形矢量。分析軟件根據(jù)被測物體表面若干個特征點(diǎn)的變形矢量，就可得到物體表面的三維變形場等信息[2]。

圖1 載荷試驗試樣變形前后示意圖

Vic-3D 試驗流程，如圖2 所示。

圖2 Vic-3D 測量試驗流程圖

1）散斑制作：DIC 是針對于有一定特征點(diǎn)的圖像開展的變形測量，對于表面沒有明顯特征點(diǎn)的材料，要人為地在試件表面制作隨機(jī)散斑行程特征點(diǎn)。散斑可以通過滾輪、印章、噴涂等多種途徑完成。由于它是獲得圖像信息的來源，散斑制作水平的高低直接影響結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。圖3 示出散斑質(zhì)量對比。較差的散斑甚至在樣件靜態(tài)未受力狀態(tài)即產(chǎn)生應(yīng)變噪聲。通常高質(zhì)量的散斑圖案標(biāo)準(zhǔn)為具有高對比度、大小一致的散斑點(diǎn)、50%覆蓋率及隨機(jī)性等。

圖3 人為制作的散斑質(zhì)量對比圖

2）相機(jī)標(biāo)定：選擇適合的校正板，將校正板放置于被測物所在的位置上（如被測物無法被移動，那么在不超出景深范圍的前提下，將校正板置于被測物前即可）。確保校正板上的3 個圓環(huán)定位點(diǎn)和2 個小的編碼點(diǎn)足夠清晰且不被遮擋。保證校正板整體清晰明亮，不出現(xiàn)曝光過度、模糊、過暗等現(xiàn)象。不斷按下觸發(fā)器來采集校正圖像，采集15～25 組校正圖像，然后運(yùn)行Vic-3D 軟件對拍攝的校正圖像進(jìn)行校準(zhǔn)分析，得到校準(zhǔn)結(jié)果。利用校正板進(jìn)行校正分析的顯示界面，如圖4所示。

圖4 利用校正板進(jìn)行校正分析的顯示界面

3）試驗記錄：設(shè)置好試驗參數(shù)開始試驗，同時按下觸發(fā)器對散斑區(qū)域進(jìn)行圖像采集。

4）結(jié)果分析：利用Vic-3D 軟件調(diào)取結(jié)果數(shù)據(jù)，打開采集的試驗樣件圖像，選擇數(shù)據(jù)分析區(qū)域，設(shè)定分析起始點(diǎn)，并選擇適宜的子區(qū)大小和分析步長，然后開始進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。最終得到關(guān)于樣件變形的一系列結(jié)果，如圖5 所示。

圖5 Vic-3D 軟件的試驗樣件圖像分析界面

2 Vic-3D測量系統(tǒng)應(yīng)用舉例

為了進(jìn)一步驗證DIC 的可行性和準(zhǔn)確性，對汽車后懸橫梁局部位置進(jìn)行了驗證試驗。

選用扭力梁式汽車后橋，因其結(jié)構(gòu)對稱，故選擇橫梁表面靠左側(cè)為圖像采集區(qū)域，如圖6 所示。將橫梁按實車狀態(tài)安裝在臺架上，不安裝彈簧和減振器，加載位置為車輪中心安裝處，選用扭轉(zhuǎn)工況，將位移控制在±40 mm，兩端相位差為180°，頻率為3 Hz。

圖6 試驗樣件及測量區(qū)域示意圖

2.1 利用Vic-3D系統(tǒng)進(jìn)行測量

2.1.1 散斑制作

由于樣件黑色底漆反光，因此首先選用啞光白色漆進(jìn)行噴涂，制作底層。待充分晾干后，選擇合適的專業(yè)印章工具來進(jìn)行散斑制作，散斑區(qū)域約為200 mm×100 mm，如圖7 所示。同時為了更好地和后期傳統(tǒng)應(yīng)變片采集數(shù)據(jù)做比較，散斑制作后選擇2 個位置做微型記號，便于測量結(jié)束后在此粘貼應(yīng)變片。

圖7 DIC 驗證試驗散斑制作示意圖

2.1.2 采集設(shè)備安裝及相機(jī)標(biāo)定

首先將2 臺高速相機(jī)及鏡頭固定在三腳架的橫梁上，將相機(jī)相關(guān)連線（如1394b 線、USB3.0 線、網(wǎng)線、電源線等）連接至電腦，并設(shè)定好主從相機(jī)。打開輔助光源，從兩側(cè)照入，盡量避免陰影和反光。打開Vic-Snap軟件，根據(jù)軟件中的圖像調(diào)整相機(jī)位置和角度。調(diào)整好相機(jī)方位后，選擇合適的焦距，將鏡頭光圈調(diào)至最大，此時景深最小，在景深最小時調(diào)整好圖像清晰度后，再將光圈調(diào)整至實際試驗需要的大小，并調(diào)整快門速度，使得畫面中沒有曝光過度或曝光不足的點(diǎn)，至此設(shè)備安裝基本完成。下一步選取與散斑區(qū)域面積大小適合的校正板，手持貼近樣件表面，旋轉(zhuǎn)各種角度，通過按下觸發(fā)器來采集25 張校正圖像。通過軟件進(jìn)行校準(zhǔn)分析，得到校準(zhǔn)結(jié)果[3]。

2.1.3 試驗樣件圖像采集

通過MTS 線性作動器加載橫梁兩端，Vic-3D 軟件開始采集動態(tài)圖像，采集頻率為500 張/s，采集時間為5 s。采集測試現(xiàn)場，如圖8 所示。

圖8 Vic-3D 測量現(xiàn)場示意圖

2.1.4 圖像結(jié)果分析

將采集的圖像導(dǎo)入軟件內(nèi)，選擇包含2 個標(biāo)注點(diǎn)在內(nèi)的一片區(qū)域進(jìn)行分析，得到應(yīng)變時域數(shù)據(jù)，如圖9所示，峰值應(yīng)變云圖，如圖10 所示。2 個標(biāo)注點(diǎn)的微小區(qū)域平均應(yīng)變的峰值顯示為527.352 和648.506。

圖9 樣件圖像Vic-3D 測量分析結(jié)果時域數(shù)據(jù)圖

圖10 樣件圖像Vic-3D 測量分析結(jié)果應(yīng)變峰值云圖

2.2 電阻式應(yīng)變片測量法數(shù)據(jù)采集

在之前標(biāo)記的2 個位置粘貼應(yīng)變片。選用HBM 公司生產(chǎn)的0°/45°/90°應(yīng)變花，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為LMS 公司的SCADAS Mobile 便攜式數(shù)據(jù)采集器，采集軟件為LMS.TestLab。由于在室內(nèi)臺架上采集時間較短，故應(yīng)變片未加溫度補(bǔ)償。應(yīng)變片安裝及采集過程，如圖11 和圖12 所示。

圖11 應(yīng)變片安裝示意圖

圖12 電阻式應(yīng)變片信號采集過程示意圖

將采集結(jié)果導(dǎo)入LMS.TecWare 數(shù)據(jù)處理軟件，通過專業(yè)模塊計算出2 個測點(diǎn)的最大主應(yīng)變時域數(shù)據(jù)，如圖13 所示，應(yīng)變峰值分別為565.8 和625.4。

圖13 測點(diǎn)最大主應(yīng)變時域數(shù)據(jù)圖

電阻應(yīng)變片測量法是一種成熟可靠的應(yīng)變測量方式，多年來得到廣泛的應(yīng)用，通過將DIC 方法得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)與應(yīng)變片測得的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，2 組試驗數(shù)據(jù)相差較小，基本符合精度要求（≤10%），說明DIC 方法可以滿足試驗測量的要求。

3 結(jié)論

文章介紹了數(shù)字圖像相關(guān)方法的基本原理和算法公式，以及基于圖像相關(guān)技術(shù)的Vic-3D 測試系統(tǒng)。通過進(jìn)行扭力梁局部應(yīng)變數(shù)據(jù)采集試驗，了解其具體試驗流程，得到了DIC 方法與傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變片測量法2 組同步的應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過對比，驗證了DIC 方法的可行性和準(zhǔn)確性。具有全場測量、非接觸、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)的DIC 方法必然將成為今后力學(xué)試驗的一種趨勢。