前言
針對超大直徑運(yùn)載火箭艙段全周變形實(shí)時測量需求, 東視傳感技術(shù)團(tuán)隊研制了由24臺實(shí)時三維位移應(yīng)變測量儀（可調(diào)節(jié)版）組成的大型結(jié)構(gòu)全周三維位移應(yīng)變測量儀, 成功實(shí)現(xiàn)了火箭艙段內(nèi)表面柱坐標(biāo)系下360°全周變形測量和局部笛卡爾坐標(biāo)系下區(qū)域變形實(shí)時測量。
技術(shù)分析
對于運(yùn)載火箭艙段全周變形實(shí)時測量，有以下三個問題和挑戰(zhàn)需要解決。
第一個問題是大尺度散斑場制作問題。為了實(shí)現(xiàn)艙段結(jié)構(gòu)表面高精度變形測量，需要在近100平方米結(jié)構(gòu)面上制作高質(zhì)量散斑場。第二個問題是大尺度全周測量問題。需要實(shí)現(xiàn)艙段表面360°全周變形測量，單套三維系統(tǒng)是無法滿足需求的。同時，為了保證測量精度，單套三維系統(tǒng)的視場也不宜過大。第三個問題是艙段變形實(shí)時測量問題, 需要在加載過程中實(shí)時測量加載點(diǎn)附件艙段變形。
為了解決大尺度散斑場制作問題，東視傳感技術(shù)團(tuán)隊提出使用數(shù)字散斑轉(zhuǎn)印方法，將7.2mm直徑數(shù)字散斑轉(zhuǎn)印到火箭艙段表面。為了解決艙段表面360°全周變形高精度測量問題，東視傳感技術(shù)團(tuán)隊研制了由24臺實(shí)時三維位移應(yīng)變測量儀組成的相機(jī)網(wǎng)絡(luò)變形測量系統(tǒng), 將24臺相機(jī)的測量結(jié)果坐標(biāo)系統(tǒng)一并在柱坐標(biāo)系下顯示360°全周變形。為了解決艙段局部變形實(shí)時測量問題, 東視傳感技術(shù)團(tuán)隊研制了基于CPU并行計算策略的實(shí)時三維變形測量軟件。單套雙目測量系統(tǒng)與一臺電腦連接, 實(shí)時測量并顯示笛卡爾坐標(biāo)系下的區(qū)域變形。
相機(jī)網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)由12套雙目系統(tǒng)組成, 單套雙目系統(tǒng)的視場大小為 3.6×3.6m, 相鄰兩套雙目系統(tǒng)之間設(shè)置一定的重疊區(qū)域以保證測量結(jié)果的連續(xù)性。采用單目攝影測量和雙目立體視覺分別重構(gòu)編碼點(diǎn)三維坐標(biāo), 通過同名編碼點(diǎn)實(shí)現(xiàn)局部坐標(biāo)系和全局坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換, 最終實(shí)現(xiàn)了12套雙目系統(tǒng)的坐標(biāo)統(tǒng)一。單套雙目系統(tǒng)可與一臺電腦連接, 采用基于種子點(diǎn)擴(kuò)散的并行算法和變形連續(xù)性傳遞的初值估計方法, 成功實(shí)現(xiàn)70000點(diǎn)/s的實(shí)時三維位移測量和表面應(yīng)變測量。
目前，攝像測量技術(shù)因其大范圍、全場、非接觸等特殊優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于科研和工程領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)變形測量。攝像測量技術(shù)不僅可以測量結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變場，還可以測量結(jié)構(gòu)表面三維位移場，獲得豐富的變形數(shù)據(jù)。
多設(shè)備融合建立全局坐標(biāo)系
核心測試數(shù)據(jù)
基于柱坐標(biāo)下的360°全周變形測量結(jié)果，成功實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散角的高精度計算。三個方向位移靜態(tài)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差小于0.01mm，應(yīng)變靜態(tài)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差小于50 微應(yīng)變。為了證明測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度, 進(jìn)一步開展了平移臺精度驗(yàn)證實(shí)驗(yàn), 當(dāng)運(yùn)動的幅值為8mm時（實(shí)際艙段加載最大的位移幅值），面內(nèi)準(zhǔn)確度為 0.0184mm（0.23%），離面準(zhǔn)確度為 0.0384mm（0.48%），可以滿足測量需求。
位移和應(yīng)變測量靜態(tài)噪聲
如圖所示, 為第17級加載狀態(tài)下的柱坐標(biāo)360°全周變形, 包括軸向位移場和應(yīng)變場, 沿半徑方向的屈曲變形和轉(zhuǎn)角應(yīng)變。 360°全周變形可以全方位的展現(xiàn)火箭艙段在荷載作用下的變形, 根據(jù)變形結(jié)果可以直接分析其變形狀態(tài)和力學(xué)性能。當(dāng)載荷加至最大一級（150%使用載荷）時, 第一象限加載點(diǎn)附近的測量區(qū)域在全局坐標(biāo)系下的變形云圖如圖所示. 在該區(qū)內(nèi)以EZ≤-1800微應(yīng)變作為擴(kuò)散區(qū), 求解最大載荷條件下擴(kuò)散角為29.9°，與數(shù)值仿真的結(jié)果30.0°非常接近。
第17級加載下的柱坐標(biāo)360°全周變形
加載位置的擴(kuò)散角
工程應(yīng)用價值
東視傳感技術(shù)團(tuán)隊研制的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的全周三維變形測量系統(tǒng), 成功實(shí)現(xiàn)了火箭艙段內(nèi)表面局部笛卡爾坐標(biāo)系下區(qū)域變形70000點(diǎn)/s的實(shí)時測量和柱坐標(biāo)系下360°全周變形測量。可用于飛機(jī)、火箭等飛行器的結(jié)構(gòu)測試和性能評估。