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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
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。
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
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：
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