DIC技术在航空航天测试中的应用

发布日期：2021-11-24 浏览数：1204 次

数字图像相关技术（Digital Image Correlation，DIC）作为一种新型的非接触全场形变测量技术，正成为航空航天中测量应变和变形的可靠手段。其基本原理为在测试样品上施加随机散斑，然后通过对变形过程中散斑的追踪与关联来获得构件的全场应变与形变数据。

根据图像采集系统的不同，DIC技术可以测量全尺寸火箭部件或微观尺度纤维的变形行为，也可以记录瞬间爆炸的动态变形或持续数小时的准静态以及疲劳变形。这种利用图像的形变测量技术与传统传感器相比具有决定性的优势，正在发展成为一种可靠的傻瓜式应变测量的工业解决方案。“在NASA兰利研究中心(LaRC)，我们进行结构和材料的损伤表征工作，”LaRC的承包商Dave Dawicke说道“从小型材料测试到全尺寸组件，我们全部使用DIC进行测试，并使用DIC结果来验证我们的有限元分析。”

飞行器全尺寸测试

早在2011年，NASAMarshall团队便使用3D-DIC技术表征了一个全尺寸的火箭外壳在200万磅压力下的屈曲，获得了第一个火箭壳体屈曲失效因子(ShellBuckling Knockdown Factor，SBKF)。在这次测试中，八对相机为直径8米的火箭外壳提供了360°的覆盖范围，这有可能是NASA有史以来最大的DIC测试对象。 “这就像压啤酒罐，不知道它会在哪里弯曲，但弯曲一旦发生，便会迅速失效。高速3D-DIC系统捕捉到了弯曲的过程”。本次以及之后的SBKF测试数据为NASA的现代运载火箭设计提供了依据。“火箭外壳的设计是基于20世纪50年代的理论屈曲载荷”Dawicke解释说。“通过测试实际的柱体缺陷对屈曲载荷的影响机制，对火箭的结构轻量化设计具有指导意义。”

图 1 2011年壳体屈曲破坏系数试验前的全尺寸试件

DIC还用于了发动机叶片脱落实验，用来表征发动机叶片在运转时发生脱落会不会穿透发动机的封装进入到客舱内，导致灾难性后果。发动机制造商使用DIC测试使用编织复合材料的轻量化材料作为发动机外壳的服役性能。实验通过爆炸性地释放出一个叶片，通过DIC技术在叶片脱落后发动机壳体是如何膨胀和应变的。此外，当叶片脱落时，整个发动机将剧烈失去平衡。实验还会测试发动机固定支架是如何应对那些超出正常载荷的特殊情况。

传统应变片的完美替代与有限元分析的验证

至关重要的是，DIC提供了全场数据，而传统应变仪只能进行点测量。国际DIC学会(iDICs)刚刚卸任的主席Phillip L. Reu说:“除非你确切知道最大应变将发生在哪里，否则很难定位应变计。但有了DIC，你就在整个表面喷涂数万个探测器。”在震动模态测试中，DIC也可以代替加速度计。“在测试对象上粘满加速度计会影响振动，”Reu说。“全场DIC同时测量各处的加速度，是一种非接触技术。”在飞行器的全尺寸测试中，需要在整个飞行器上施加传感器和电线安装与连接，该工作即耗时又低效。应变片可以提供更好的微应变级精度，但损伤通常涉及更大的应变和位移，DIC则可以提供易与有限元分析模型匹配全场图像。

有限元分析的验证是DIC的关键应用。 2003年，哥伦比亚号航天飞机在重返大气层时解体，原因是在发射过程中，一块泡沫塑料刺破了它的机翼，然而NASA的有限元分析模型严重低估了这一危险。在随后的航天飞机飞行计划中DIC数据证明其有限元分析的准确性成为了硬性要求。 NASA将用于鸟击测试的‘鸡枪’改造成发射公文包大小的泡沫碎片到飞行器的机翼部分，并以27000帧/秒的速度拍摄照片用于DIC测试，整个测试过程不足几分之一秒。

在2011年的STS-133航天飞机任务之前，NASA注意到一个外部燃料箱上的松散泡沫中正在填充液氢和液氧，在清除泡沫后才发现燃料箱上有几处裂缝，这正是哥伦比亚号失事的原因。对此，DIC研究团队在肯尼迪航天中心发射台，对在燃料箱加装燃料长大12小时的过程进行了DIC实验，测量了在加燃料时燃料箱是如何收缩的，以及发生开裂的确切位置，发现开裂是由于弯曲的铝筋造成的。并通过加固装置解决了问题。

图 2 2011年2月发现号航天飞机的最后一次任务STS-133

高温测试

一个烧蚀隔热罩将保护前往火星的2020漫游者号在下降的过程中高温环境。DIC技术被用于证明这种结构可以在飞行器下降的过程中可以留存下来有效保护飞行器。为了完成这一任务，NASA设计了一套实验系统，使用三对相机，每一对相机记录三分之一的四米五高的胶合板复制品的圆锥表面，并将散斑涂覆在保鲜膜上以确保不在样品上留下残留物。由于隔热罩的完美表现，这个备受瞩目的实验最终以太平无事的结果结束。目前隔热罩被验证可以上天而地面人员获得了高分辨率的数据以验证有限元分析模型。随着相机技术的发展，DIC的应用也将不断发展。目前对捕捉风洞中流场对结构行为的影响、过滤物体高温发光从而实现高温测试DIC以及对有限元分析和DIC数据的直接比较有着日益增长的需求。

山东中科先进技术研究院与青岛博瑞科合作成立的微纳米3D打印与智能制造工程中心已经建成全三维实验室，致力于为包括先进航空航天、汽车、体育装备、医疗器械等各个行业提供先进制造与表征的全三维解决方案。工程中心具备先进3D-DIC系统，支持8相机360°三维DIC 表征，已经在材料科研、土木建筑、航空航天、汽车等行业有了成熟的解决方案，实际应用案例如下图所示。可以根据客户的不同需求提供DIC解决方案，包括常规测试、高速动态测试、高频震动与疲劳测试、高温测试、微纳测试等。此外，工程中心还具有工业CT可以实现构件内部复杂结构进行无损表征。齐全的3D打印技术（SLA、SLM、LCM、FDM）可以实现全材料体系（金属、陶瓷、高分子、碳纤维等）的快速成型。