基于声学风洞的麦克风阵列测试技术应用研究

基于声学风洞的麦克风阵列测试技术应用研究 ( ) 文章编号 :100124888 20090520486207 3 基于摄影测量法的薄膜褶皱实验研究 1 ,2 3 3 1李云良, 林国昌, 谭惠丰, 谭忆秋 ( 1 . 哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院 , 哈尔滨 150090 ; 2 . 哈尔滨工业大学 土木工程博士后流动站 , 哈尔滨 150090 ; )3 . 哈尔滨工业大学 复合材料与结构研究所 , 哈尔滨 150001 摘要 : 采用非接触式的测试方式 ———摄影测量法对薄膜褶皱进行了实验研究 。建立了剪切薄膜 褶皱的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 模型 ,并基于摄影测量法对该模型的褶皱变形模式进行了实验研究 。摄影测量法是 通过对不同角度上相机拍摄到的同一靶点的图像信息进行处理 ,可以得到相应靶点的三维坐 标 ,从而实现对微小变形的非接触式的测量 。通过摄影测量法得到了剪切薄膜褶皱的变形模 式 。实验研究 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,在剪切距离增大的情况下薄膜褶皱的数量保持不变 ,但是褶皱面外变形幅 度随着剪切距离的增加而增大 。试验结果与数值分析结果具有相关性 ,摄影测量法适合于薄膜 结构微小面外变形的非接触式测量 。 关键词 : 薄膜 ; 褶皱 ; 摄影测量法 ; 实验研究 中图分类号 : O343文献标识码 : A 引言0 最近几年 ,随着人们深空探测步伐的加快 ,大型空间充气展开结构已成为目前研究的热点 。空间充 气展开结构主要由超薄的薄膜材料构建而成 ,发射前结构处于高效的折叠状态 ,发射入轨后通过充气方 式实现结构的可控制展开 ,并通过压力保持或采用可刚化材料来保持薄膜的设计结构形式 ,从而实现其 使用功能 。由于薄膜弯曲刚度的缺失 ,在空间充气展开薄膜结构中 ,在外载荷及边界条件的作用下 ,薄 膜结构中往往会出现褶皱 ,褶皱的存在将影响到结构的使用功能 ,尤其对于高精度的薄膜透镜来说 ,褶 皱已被认为是结构的一种失效模式 。 [ 1 ] Miya mura 通过试验系 统 地 研 究 了 环 形 薄 膜 结 构 在 面 内 扭 转 情 况 下 的 褶 皱 形 变 和 应 力 分 布 。 [ 2 ,3 ] J e nki n s等人使用电容传感器 ,分别测量了充气薄膜结构的形变 ,及在剪力和张力载荷共同作用下的 [ 4 ] 薄膜表面等温过程中的褶皱形变 ,得到褶皱的面外变形 。此外 ,Bla ndi no 等人利用电容传感器 ,对矩 形聚酰亚胺薄膜四角拉伸情况下 ,褶皱变形进行了实验研究 。 最近 ,摄影测量方法作为一种非接触式的测量技术 ,已成为柔性薄膜结构形变测量方面经常采用的 [ 5 - 8 ] [ 9 ,10 ] 一种方法。该方法可以实现对结构形变的测量。本文采用摄影测量法对矩形剪切薄膜的褶皱 变形进行了实验研究 。 1 摄影测量法 摄影测量法的原理是通过多个相机从不同角度对物体进行拍照 ,通过对不同照片上同一个标定点 之间的三角计算法 ,将所得到的两维平面图像转换为三维立体图形 ,可以得到结构的几何外形 。由于摄 影测量法不需要在所测结构表面布置任何传感器 ,从而可以实现与被测结构物的非接触式的测量 ,减少 3 收稿日期 : 2009203205 ; 修订日期 : 2009206210 ( ) 通讯作者 : 李云良 1973 - ,男 ,讲师 ,哈尔滨工业大学土木工程流动站在站博士后 。E2mail : liyl2hit @163 . co m 了传感器对于被测物变形的影响 ,可以获得很高的测试精度 。 2 分析模型 在薄膜褶皱现象中 ,边界条件的影响将是结构产生褶皱的一个主要的原因 ,为了考查边界条件作用 下的褶皱变形 ,本文建立的褶皱分析模型如图 1 所示 。矩形薄膜上下边界固定 ,左右边界自由 ,上边界 δδ向 y 方向拉伸一个小的距离, 然后上边界向 x 方向产生一个小的剪切距离, 此时在薄膜中将产生 2 1 斜 θ向褶皱 , 褶皱与边界的夹角为,本文将基于这一分析模型采用摄影测量法研究薄膜的褶皱面外变 形 。 图 1 剪切薄膜褶皱分析模型 Fig. 1 A recta ngular membrane under shear 3 实验研究 3 . 1 试验装置 试验采用的数字摄影测量系统由加拿大 Eo s Syst e ms 公司开发的 Pho to Mo deler Pro 5 软件以及多 台高性能 Ca no n350D 数码相机组成 。依据图 1 所示的褶皱分析模型 ,设计的试验装置如图 2 所示 。主 要由支架 、横梁 、标尺及调节螺栓组成 。支架用于固定横梁和支撑整个试验框架 ; 横梁用于夹紧和固定 薄膜 ;标尺提供了一个 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的参考长度和坐标 ,标尺提供的标准距离为 362 . 85 mm ; 调节螺栓用于张紧 () 和剪切薄膜 ,通过竖直螺栓 竖向螺栓的螺纹间距为 1 . 74 mm的调节可以使薄膜产生预定的初始预张 (力 竖向调节螺栓为两个 ,与图中右侧的竖向调节螺栓相同 ,在左侧的支架上也有一个竖向调节螺栓 ,由 ) () 于标尺的遮挡而在图中没有显示;通过水平螺栓 水平螺栓的螺纹间距为 1 . 50 mm的调节可实现薄膜 μ 的剪切变形 。试验薄膜的尺寸为 380 ×120 mm ,薄膜为 Kap to n 薄膜 ,厚度为 50 m 。 图 2 薄膜褶皱的试验装置 Fig. 2 Experimental f acilit y of membra ne w rinkle s 3 . 2 试验过程 ( ) 头与成像介质 CCD的相对位置 ,对相机的这些内部光学参数进行的测量称为相机的标定 。相机的标 定需要得到相机的以下参数 : 有效焦距长度 、传 感器 格式 pdf格式笔记格式下载页码格式下载公文格式下载简报格式下载 化尺 寸 、主 点 、镜头 扭曲 特 性 。利 用 Pho to2 ( ) Mo dele r Pro 5 软件和 Eo s Syst e ms 公司提供的相机标定图 如图 3 所示实现对相机参数的标定 。标 定时需要在标定图的四个不同方向上进行拍摄 ,每个方位拍摄两张相片 。其中 ,两张相片是相机分别旋 转 90时?拍摄的 。软件 Pho to Mo deler Pro 5 通过对所获得的这 8 张相片进行处理 ,进而可以得到相机 的内部物理参数 。 第二步 :试件裁剪及靶点形成 。采用自动裁剪机 ( 产生 380 ×130 mm 薄膜试片 其中上下横梁夹紧薄膜 ) 的宽度各为 5 mm ,薄膜的净尺寸为 380 ×120 mm,并 在薄膜中形成靶点 。可以被 Pho to Mo dele r Pro 5 识 别的标靶类型有普通白色标靶 、回光反射标靶和光斑 () 标靶 点投影标靶等 。当光线照射到普通白色标靶 和回光反射标靶上之后 ,前者发生漫发射而后者会将 光线沿原路反射回去 。普通白色标靶和回光反射标 靶都是由十几微米厚的贴片材料制成 ,且需要粘贴在 图 3 标定图 被测物上 ,对于仅有几十微米厚的薄膜来说 , 这两种 Fig. 3 Cali bratio n image s 标靶都会改变薄膜的局部厚度和刚度 ,进而影响测量精度 。光斑标靶是利用光斑投影片 、数字台和投影仪将光斑投影到被测物体上形成的 。这种标靶没有 厚度和质量 ,对于轻型结构的测量没有影响 ,且光斑大小可调 ,但是它需要被测物必须是不透明的 ,因此 需对薄膜表面进行涂层处理 。标靶的类型应根据测量要求和目的来进行选择 ,除了需要考虑测量的褶 ) ) ) 皱幅度很小外 ,测量中还需满足要求 :1不能影响薄膜的性能和刚度 ;2标靶尺寸相当小 ;3与被测物存在高对比度 。基于以上要求 ,在试验中采用通过点印方法在薄膜表面形成圆型耙点 ,颜色与薄膜形成高 对比度 ,标靶直径为 0 . 6 mm ,采用靶点的数目为 3760 个 。 图 4 不同角度拍摄的照片 Fig. 4 Pho to at diff erent locatio ns 第三步 :试件与支架的连接及施加载荷 。将试件固定在夹具上 ,保证夹具间薄膜的尺寸要求 ,并要 牢固的夹紧薄膜 ,避免加载时薄膜与夹具间的相对滑动 。通过竖向调节螺栓 ,按规定的张紧距离将薄膜 张紧 ,然后通过水平调节螺栓产生水平剪切距离来剪切薄膜 。 第四步 :照片拍摄 。采用数码相机拍摄照片时需使用三角架 ,可以防止因相机抖动而使相片模糊 。 拍摄出高对比度相片有利于相片上标靶的标定 。图 4 是从不同角度拍摄的照片 。 第五步 :照片处理及数据输出 。将相片导入到 Pho to Mo deler 之中 ,对相片上的标靶进行处理 ,会输 出标靶的空间三维坐标 。进而可以得到褶皱的构形信息 。 3 . 3 试验结果 图 5 是通过摄影测量法得到的初始张拉距离为 0 . 1 mm 、剪切距离分别为 1 mm , 2 mm , 3 mm 时的 薄膜褶皱构形 。从图上可以看出 ,薄膜中心区域出现大致互相平行的褶皱变形 ,三幅图中褶皱的数量没 有发生变化 ,均为 12 个褶皱 。这与平板屈曲的相关理论相吻合 。 ()图 5 不同剪切距离时的褶皱构形 试验结果 ()Fig. 5 Wrinkli ng co nfiguratio n under diff erent shea r di splacement s exp erimental re sult 4 薄膜褶皱的数值分析 基于稳定性理论 ,将薄膜产生褶皱视为薄膜的屈曲行为 ,给合非线性的屈曲分析 ,可以得到薄膜的 褶皱面外变形 。而为了得到薄膜的面外变形即褶皱 ,必须对薄膜施加一定的面外扰动 - 初始缺陷 。本 文施加初始扰动的方法 ,选取薄膜上十二节点 ,施加垂直薄膜表面的外力 ,其大小为 0 . 01N ,并使力的正 负值的数量相同 ,以保持薄膜面外力的平衡 ,面外力作用下薄膜产生的面外变形的量级与薄膜的厚度相 当 。通过有限元程序对图 1 所示的分析模型的褶皱模式进行了数值仿真分析 ,图 6 显示了不同剪切距 离情况下的褶皱变形模式 。从图上可以看出 ,与试验的结果一致 ,褶皱的数量没有发生变化 ,均为 12 个 褶皱 。 ()图 6 不同剪切距离时的褶皱构形 数值结果 ( )Fig. 6 Wrinkling co nfiguratio n under diff erent shear di splacement s numerical sol utio n 5 实验与数值结果的对比分析 5 . 1 褶皱幅度的对比分析 分析结果符合的较为理想 。 图 7 薄膜纵向中线处的面外变形 Fig. 7 The o ut2of2plane defo r matio n alo ng lo ngit udinal midline 5 . 2 褶皱角度的对比分析 δδ在初始张拉距离= 0 . 1 mm ,剪切距离为= 1 mm 时 ,试验获得的薄膜中心区域向两侧的褶皱角 2 1 度 (的变化如图 8 所示 括号中的数据为试验得到的褶皱角度 ,不带括号的数据为数值分析得到的褶皱角 ) 度,由此可以看出 ,薄膜中心区域褶皱的方向大致互相平行 ,靠近左右两侧褶皱的角度增加 。试验与数 值分析得到的褶皱角度基本符合 。 图 8 褶皱角度的数值结果与试验值的对比 Fig. 8 Co mpa ri so n of w ri nkling angle o n simulatio n a nd experiment 5 . 3 误差分析 通过上面的对比分析可以发现 ,褶皱数量的试验结果与数值分析结果完全相同 ,但是褶皱幅度二者 存在一定的误差 ,误差主要来自以下几个方面 : 数值分析过程中 ,引入的初始缺陷对分析结果将产生一定的影响 ,另外网格的数量也会对结果产生 影响 。 ) ) 实验分析过程误差主要来自以下几个方面 :1测量系统本身的误差 ; 2由于薄膜的尺寸误差及夹 ) 具的滑动等因素 ,造成的薄膜张紧力的不均匀 ;3在薄膜的剪切过程中 ,坐标尺与薄膜褶皱变形的平均 ) 表面不再是严格的平行 ,输出的数据上有一定的误差 ; 4由于拍摄照片质量的影响造成个别靶点对比 度降低 ,从而减少了有效靶点的数目 ,将对测试结果产生一定的影响 。 6 结论 对于超薄薄膜的褶皱变形必须采用非接触式的测试方式 ,以减少测试方式对于试验结果的影响 ,摄 影测量法是一种适合于薄膜褶皱面外变形分析的测试方法 。本文通过自行建立的摄影测量系统对剪切 薄膜的褶皱变形进行了实验研究 ,得到了褶皱的面外变形模式 。 剪切薄膜褶皱变形幅度随着剪切距离 的增加而增大 ,其褶皱数量不发生变化 ;薄膜中心区域褶皱方 向大致相互平行 ,靠近左右两侧褶皱角度增大 。实验与数值分析结果基本符合 ,二者具有一定的相关 性 。 参考文献 : [ 1 ] To mo shi Miyamura . 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Pho to gra mmet r y i s deali ng wit h i nfo r matio n a bo ut t he sa me t a r get f ro m ca me ra s wit h diff e re nt a ngle of view , t herefo re t hree2 di me n sio nal coo r di nat e s of co r re spo ndi ng t a r get a re o bt ai ned , fi nall y t he no n2co nt act mea suri ng of ti ny defo r matio n will be ac hieve d. Defo r matio n p at t er n of shea red me mbra ne w ri n kle wa s gai ne d by p ho to gra mmet r y. Re sult s sho w t hat t he n umber of shea re d me mbra ne w ri n kle s i s no t rai se alo ng wit h shea r di st a nce i ncrea se , but t he e xt e nt of o ut2of2p la n w ri nkle i s rai se alo ng wit h t he di st a nce . It ha s p e rti ne nce bet wee n e xp eri me nt re sult a nd n ume rical a nal ysi s. Pho to gra mmet r y i s p ropitio u s to no n2 co nt act mea suri ng of ti ny defo r matio n fo r me mbra ne st r uct ure s. Key words : me mbra ne ; w ri nkle ; p ho to gra mmet r y ; e xp e ri me nt al st udy