反射镜面辅助的航空机匣三维变形多视角测量

郭建英; 梁晋; 叶美图; 王明明; 石炜

doi:10.37188/OPE.20223024.3105

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反射镜面辅助的航空机匣三维变形多视角测量

现代应用光学 | 更新时间：2022-12-27

- 反射镜面辅助的航空机匣三维变形多视角测量
- Mirror-assisted multi-view measurement of 3D deformation for aero-engine casing
- 光学精密工程 2022年30卷第24期页码：3105-3115
- 作者机构：
  
  1.西安交通大学机械工程学院陕西西安 710049
  2.中国航发四川燃气涡轮研究院强度传动试验研究室，四川绵阳 621000
- 作者简介：
  
  [ "郭建英（1985-），男，山西汾阳人，博士研究生，2010年于中北大学获得学士学位，2013年于南京航空航天大学获得硕士学位，主要从事结构强度试验仿真及测试方面的研究。E-mail：guojianying19852006@126.com" ]
  [ "梁晋（1968-），男，河南郑州人，博士，教授，博士生导师，1990年、1993年、2001年于西安交通大学分别获得学士、硕士、博士学位，主要从事机电控制、机器视觉等方面的研究。E-mail： liangjin@mail.xjtu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国防科工局稳定支持科研项目资助(J201912024)
- DOI：10.37188/OPE.20223024.3105
  中图分类号： TP391.41
- 收稿日期：2022-05-23，
  
  修回日期：2022-06-30，
  
  纸质出版日期：2022-12-25
- 稿件说明：
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郭建英,梁晋,叶美图等.反射镜面辅助的航空机匣三维变形多视角测量[J].光学精密工程,2022,30(24):3105-3115.

GUO Jianying,LIANG Jin,YE Meitu,et al.Mirror-assisted multi-view measurement of 3D deformation for aero-engine casing[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(24):3105-3115.
郭建英,梁晋,叶美图等.反射镜面辅助的航空机匣三维变形多视角测量[J].光学精密工程,2022,30(24):3105-3115. DOI： 10.37188/OPE.20223024.3105.

GUO Jianying,LIANG Jin,YE Meitu,et al.Mirror-assisted multi-view measurement of 3D deformation for aero-engine casing[J].Optics and Precision Engineering,2022,30(24):3105-3115. DOI： 10.37188/OPE.20223024.3105.

摘要

针对航空发动机机匣部分表面变形场无法使用常规的三维数字图像相关（3D-DIC）设备充分测量的问题，提出了一种反射镜面辅助的机匣三维变形多视角测量方法，并构建了一套与方法相适应的机匣三维变形多视角测量系统。引入高精度的相机标定方法，提出了反射成像的校正方式，采用经典的数字图像相关匹配算法，利用摄影测量将多个DIC单元的测量数据对齐在同一坐标系下，从而获得了同一时刻多个视场的三维形貌和变形场。专门设计了单向拉伸试验，证明所提方法的形貌重建精度为0.03 mm，应变测量精度小于50 με。将所提系统应用于航空发动机中介机匣加载试验中，实现了机匣肋板表面的多视场重建，并获得了相应的三维变形场，测量结果与有限元计算结果吻合。结果表明，该方法适用于航空发动机机匣变形的多视角测量，对复杂型腔体的结构设计和强度试验具有重要的工程价值。

Abstract

Because conventional three-dimensional digital image correlation （3D-DIC） equipment cannot be used to fully measure the deformation field of the partial surface of an aero-engine， a mirror-assisted muti-view measurement method is proposed and a set of multi-view 3D deformation measurement systems is constructed. The proposed method includes a high-precision camera calibration model， a correction method for reflection imaging， and a classical digital image correlation algorithm. In addition， using a photogrammetric technique， the method can align the measurement data of multiple 3D-DIC units to a common coordinate system to obtain multiple 3D shape and deformation fields simultaneously. The accuracy of the proposed method is verified through a specially designed uniaxial tensile test， where the accuracy of shape reconstruction is 0.03 mm， and the error of strain measurement is less than 50 με. Finally， the proposed system is applied to the loading test of an aero-engine casing. The shapes and corresponding deformation fields of multiple ribs of the casing are measured successfully， the results of which are consistent with those of finite element simulations. The results all demonstrate that the method is suitable for multi-view measurements of aero-engine casing deformation and has important engineering value for the structural designs and strength tests of complex cavities.

关键词

Keywords

references

PETERS W H ， RANSON W F . Digital imaging techniques in experimental stress analysis ［J］. Optical Engineering ， 1982 ， 21 ： 427 - 431 . doi: 10.1117/12.7972925 http://dx.doi.org/10.1117/12.7972925

LUO P F ， CHAO Y J ， SUTTON M A ， et al . Accurate measurement of three-dimensional deformations in deformable and rigid bodies using computer vision ［J］. Experimental Mechanics ， 1993 ， 33 （ 2 ）： 123 - 132 .

LI L G ， LIANG J ， GUO X ， et al . Full-field wing deformation measurement scheme for in-flight cantilever monoplane based on 3D digital image correlation ［J］. Measurement Science and Technology ， 2014 ， 25 （ 6 ）： 065202 .

YU L P ， PAN B . Single-camera stereo-digital image correlation with a four-mirror adapter： optimized design and validation ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2016 ， 87 ： 120 - 128 .

YU L P ， PAN B . High-speed stereo-digital image correlation using a single color high-speed camera ［J］. Applied Optics ， 2018 ， 57 （ 31 ）： 9257 - 9269 .

朱飞鹏，龚琰，白鹏翔，等 . 基于数字图像相关的光学引伸计应变测量精度研究［J］. 光学精密工程， 2018 ， 26 （ 5 ）： 1061 - 1069 .

ZHU F P ， GONG Y ， BAI P X ， et al . Study on strain measurement accuracy of optical extensometers based on digital image correlation ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2018 ， 26 （ 5 ）： 1061 - 1069 . （in Chinese）

朱飞鹏，陆润之，白鹏翔，等 . 双反射镜成像用于二维数字图像相关应变精度提升［J］. 光学学报， 2019 ， 39 （ 12 ）： 159 - 166 .

ZHU F P ， LU R ZH ， BAI P X ， et al . Enhancement of strain measurement accuracy of two-dimensional digital image correlation based on dual-reflector imaging ［J］. Acta Optica Sinica ， 2019 ， 39 （ 12 ）： 159 - 166 . （in Chinese）

CHEN B ， PAN B . Mirror-assisted panoramic-digital image correlation for full-surface 360-deg deformation measurement ［J］. Measurement ， 2019 ， 132 ： 350 - 358 .

CHEN B ， PAN B . Mirror-assisted multi-view digital image correlation： Principles， applications and implementations ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2022 ， 149 ： 106786 .

SCHREIER H ， ORTEU J J ， SUTTON M A . Image Correlation for Shape ， Motion and Deformation Measurements ［M］. Boston， MA ： Springer US ， 2009 .

陈凡秀，陈旭，谢辛，等 . 多相机3D-DIC及其在高温变形测量中的应用［J］. 实验力学， 2015 ， 30 （ 2 ）： 157 - 164 . doi: 10.7520/1001-4888-14-180 http://dx.doi.org/10.7520/1001-4888-14-180

CHEN F X ， CHEN X ， XIE X ， et al . On the multiple camera 3D-DIC system and its application in deformation measurement at high temperature ［J］. Journal of Experimental Mechanics ， 2015 ， 30 （ 2 ）： 157 - 164 . （in Chinese） . doi: 10.7520/1001-4888-14-180 http://dx.doi.org/10.7520/1001-4888-14-180

SHAO X X ， CHEN Z N ， DAI X J ， et al . Camera array-based digital image correlation for high-resolution strain measurement ［J］. The Review of Scientific Instruments ， 2018 ， 89 （ 10 ）： 105110 .

DANA S ， KEVIN M M ， AARON J M ， et al . MultiDIC： an open-source toolbox for multi-view 3D digital image correlation ［J］. IEEE Access ， 2018 ， 6 ： 30520 - 30535 .

SOLAV D ， MOERMAN K M ， JAEGER A M ， et al . A framework for measuring the time-varying shape and full-field deformation of residual limbs using 3-D digital image correlation ［J］. IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering ， 2019 ， 66 （ 10 ）： 2740 - 2752 .

TANG Z Z ， LIANG J ， XIAO Z Z ， et al . Three-dimensional digital image correlation system for deformation measurement in experimental mechanics ［J］. Optical Engineering ， 2010 ， 49 ： 103601 .

XIAO Z Z ， LIANG J ， YU D H ， et al . An accurate stereo vision system using cross-shaped target self-calibration method based on photogrammetry ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2010 ， 48 （ 12 ）： 1252 - 1261 .

叶美图，梁晋，李磊刚，等 . 斜视场弱相关散斑图像的离散化匹配［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 9 ）： 2235 - 2246 . doi: 10.37188/OPE.20212909.2235 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212909.2235

YE M T ， LIANG J ， LI L G ， et al . Discretization matching of weakly-correlated speckle images in oblique field of view ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 9 ）： 2235 - 2246 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212909.2235 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212909.2235

CHEN B ， PAN B . Through-thickness strain field measurement using the mirror-assisted multi-view digital image correlation ［J］. Mechanics of Materials ， 2019 ， 137 ： 103104 .

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