無人機(jī)槳葉在高速旋轉(zhuǎn)中，在氣動(dòng)作用下，會(huì)形成氣彈耦合的自激振動(dòng)。隨著無人機(jī)葉片氣動(dòng)極限負(fù)荷增大，葉片設(shè)計(jì)變得薄而長，剛性下降，這導(dǎo)致葉片顫振發(fā)作的幾率增多。分析氣動(dòng)載荷作用下葉片的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性，有助于提升無人機(jī)整體機(jī)械性能。
采用高速攝像機(jī)獲取機(jī)翼高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的圖像，新拓三維XTDIC-SPARK三維高速測量系統(tǒng)，基于三維數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC技術(shù)），通過對(duì)高速攝像機(jī)采集的圖像進(jìn)行數(shù)字圖像相關(guān)匹配計(jì)算，獲得機(jī)翼旋葉表面位移分布，了解氣動(dòng)載荷作用下旋翼的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性，分析旋翼各個(gè)部位的離面位移變化。
實(shí)驗(yàn)情況
機(jī)翼結(jié)構(gòu)在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)、高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中會(huì)呈現(xiàn)出不同特性，因此實(shí)驗(yàn)分為勻速旋轉(zhuǎn)測試、加速旋轉(zhuǎn)測試兩個(gè)部分。要求高速DIC實(shí)驗(yàn)必須完整捕捉機(jī)翼運(yùn)動(dòng)全過程。對(duì)此，高速DIC裝置必須滿足高速圖像采集要求。
XTDIC-SPARK三維高速測量系統(tǒng)，可直接控制高速攝像機(jī)采集，通過參考點(diǎn)和時(shí)序信息計(jì)算追蹤視野范圍內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)的位移和應(yīng)變。除此之外，XTDIC-SPARK三維高速測量系統(tǒng)支持多種型號(hào)高速相機(jī)，可進(jìn)行全場應(yīng)變3D坐標(biāo)、位移、速度、應(yīng)變張量、6Dof軌跡姿態(tài)測量，可實(shí)現(xiàn)超過100萬幀的超高速測量，跟蹤精度高達(dá)0.01px。
傳統(tǒng)旋翼葉片測試，多使用傳感器方式來測量離面位移數(shù)據(jù)，而傳感器測試存在一定的弊端：
1、由于單點(diǎn)的測量結(jié)果不夠全面，因此需要大量的傳感器，才能夠得到完整的離面位移數(shù)據(jù)。
2、試驗(yàn)時(shí)測試點(diǎn)所得到的信息，要求有盡可能高的信噪比，因此測試點(diǎn)不應(yīng)該靠近節(jié)點(diǎn)，而傳感器布置在節(jié)點(diǎn)上的干擾無法評(píng)估。
3、 加速度傳感器自身重量，也會(huì)對(duì)試件振動(dòng)特性產(chǎn)生影響。
DIC三維高速測量方案
XTDIC-SPARK三維高速測量系統(tǒng)不僅能夠以非接觸的方式直接得到全場的位移，速度、應(yīng)變等云圖及數(shù)據(jù)。XTDIC-SPARK系統(tǒng)可獲取全場范圍數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，有效避免了傳感器數(shù)量不足以及傳感器自身重量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。
1、勻速旋轉(zhuǎn)測試
第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是勻速旋轉(zhuǎn)測試，無人機(jī)旋翼在低勻速模式下，高速攝像機(jī)連續(xù)采集一系列旋翼動(dòng)態(tài)散斑圖像，將散斑圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，并利用XTDIC-SPARK軟件進(jìn)行計(jì)算，可以得到旋翼在勻速旋轉(zhuǎn)過程中的位移分布及關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線。
勻速旋轉(zhuǎn)過程中位移場、關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線分析
葉片旋轉(zhuǎn)過程中，低速到高速偏離正常軌跡上的振幅和位移報(bào)告
通過XTDIC-SPARK系統(tǒng)軟件分析可以看出，旋翼靠近旋轉(zhuǎn)中心處，應(yīng)力最大，葉片的位移在葉尖處最大。通過旋翼關(guān)鍵點(diǎn)位移分析曲線，分析葉尖處位移情況，分析判定無人機(jī)旋翼的機(jī)械性能。
2、加速旋轉(zhuǎn)測試
第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是加速旋轉(zhuǎn)測試，無人機(jī)旋翼高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，高速攝像機(jī)連續(xù)采集散斑圖像，將散斑圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)，并利用XTDIC-SPARK軟件進(jìn)行計(jì)算，可以得到旋翼高速旋轉(zhuǎn)過程中的位移分布及關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線。
高速旋轉(zhuǎn)過程中位移場、關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線分析
通過XTDIC-SPARK系統(tǒng)軟件分析可以看出，旋翼在高速旋轉(zhuǎn)狀體下，旋翼葉尖處位移明顯增大。通過旋翼關(guān)鍵點(diǎn)位移分析曲線，分析葉尖處位移情況，有助于判定無人機(jī)葉片在高速旋轉(zhuǎn)工況下不會(huì)發(fā)生顫振。
無人機(jī)旋翼在飛行狀態(tài)下的振動(dòng)情況，會(huì)直接影響無人機(jī)的整體機(jī)械性能。利用新拓三維XTDIC-SPARK三維高速測量系統(tǒng)，結(jié)合高速攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)旋翼在實(shí)際工況下的散斑圖像動(dòng)態(tài)采集和分析，輸出旋轉(zhuǎn)過程的位移場及關(guān)鍵點(diǎn)位移分析曲線，有助于預(yù)測旋翼在實(shí)際工況下的振動(dòng)幅值，評(píng)估葉片的顫振風(fēng)險(xiǎn)，為旋翼設(shè)計(jì)及提升機(jī)械性能提供可靠的運(yùn)動(dòng)學(xué)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
新拓三維XTDIC-SPARK三維高速測量系統(tǒng)是一種適用于監(jiān)測全尺寸無人機(jī)槳葉在運(yùn)行過程中的絕對(duì)和相對(duì)、面外和面內(nèi)撓度以及相對(duì)扭轉(zhuǎn)的方法。此外，該系統(tǒng)還可用于直升機(jī)旋翼軌跡測量，捕捉旋翼在飛行中的動(dòng)態(tài)變化，分析包括揮舞角、擺振角和總距等參數(shù)；大型風(fēng)電葉片旋轉(zhuǎn)過程離面位移測量，分析離心載荷、氣動(dòng)載荷對(duì)葉片應(yīng)變及共振的影響。