前言

針對超大直徑運載火箭艙段全周變形實時測量需求, 東視傳感技術團隊研制了由24臺實時三維位移應變測量儀（可調(diào)節(jié)版）組成的大型結構全周三維位移應變測量儀, 成功實現(xiàn)了火箭艙段內(nèi)表面柱坐標系下360°全周變形測量和局部笛卡爾坐標系下區(qū)域變形實時測量。

技術分析

對于運載火箭艙段全周變形實時測量，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。為了實現(xiàn)艙段結構表面高精度變形測量，需要在近100平方米結構面上制作高質(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時測量問題, 需要在加載過程中實時測量加載點附件艙段變形。

為了解決大尺度散斑場制作問題，東視傳感技術團隊提出使用數(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，東視傳感技術團隊研制了由24臺實時三維位移應變測量儀組成的相機網(wǎng)絡變形測量系統(tǒng), 將24臺相機的測量結果坐標系統(tǒng)一并在柱坐標系下顯示360°全周變形。為了解決艙段局部變形實時測量問題, 東視傳感技術團隊研制了基于CPU并行計算策略的實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, 實時測量并顯示笛卡爾坐標系下的區(qū)域變形。

相機網(wǎng)絡測量系統(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)之間設置一定的重疊區(qū)域以保證測量結果的連續(xù)性。采用單目攝影測量和雙目立體視覺分別重構編碼點三維坐標, 通過同名編碼點實現(xiàn)局部坐標系和全局坐標系之間的坐標變換, 最終實現(xiàn)了12套雙目系統(tǒng)的坐標統(tǒng)一。單套雙目系統(tǒng)可與一臺電腦連接, 采用基于種子點擴散的并行算法和變形連續(xù)性傳遞的初值估計方法, 成功實現(xiàn)70000點/s的實時三維位移測量和表面應變測量。

目前，攝像測量技術因其大范圍、全場、非接觸等特殊優(yōu)勢被廣泛應用于科研和工程領域的結構變形測量。攝像測量技術不僅可以測量結構表面應變場，還可以測量結構表面三維位移場，獲得豐富的變形數(shù)據(jù)。

多設備融合建立全局坐標系

核心測試數(shù)據(jù)

基于柱坐標下的360°全周變形測量結果，成功實現(xiàn)擴散角的高精度計算。三個方向位移靜態(tài)噪聲標準差小于0.01mm，應變靜態(tài)噪聲標準差小于50 微應變。為了證明測量系統(tǒng)的準確度, 進一步開展了平移臺精度驗證實驗, 當運動的幅值為8mm時（實際艙段加載最大的位移幅值），面內(nèi)準確度為 0.0184mm（0.23%），離面準確度為 0.0384mm（0.48%），可以滿足測量需求。

位移和應變測量靜態(tài)噪聲

如圖所示, 為第17級加載狀態(tài)下的柱坐標360°全周變形, 包括軸向位移場和應變場, 沿半徑方向的屈曲變形和轉(zhuǎn)角應變。 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)變形結果可以直接分析其變形狀態(tài)和力學性能。當載荷加至最大一級（150%使用載荷）時, 第一象限加載點附近的測量區(qū)域在全局坐標系下的變形云圖如圖所示. 在該區(qū)內(nèi)以EZ≤-1800微應變作為擴散區(qū), 求解最大載荷條件下擴散角為29.9°，與數(shù)值仿真的結果30.0°非常接近。

第17級加載下的柱坐標360°全周變形

加載位置的擴散角

工程應用價值

東視傳感技術團隊研制的具有自主知識產(chǎn)權的全周三維變形測量系統(tǒng), 成功實現(xiàn)了火箭艙段內(nèi)表面局部笛卡爾坐標系下區(qū)域變形70000點/s的實時測量和柱坐標系下360°全周變形測量�？捎糜陲w機、火箭等飛行器的結構測試和性能評估。