复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统

摘要

本发明公开了一种复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统，涉及螺旋桨测试技术领域，包括两部相机、白光频闪光源设备、同步器、软件系统、光学辅助设备、标靶、动力仪；两部相机布置在水筒试验段侧的观察窗旁；白光频闪光源设备布置在水筒试验段的上部观察窗；同步器与相机、软件系统和动力仪连接，控制三者同步工作；标靶布置在待测区域，两部相机拍摄至少8对标靶不同位置和方向的散斑图像；软件系统负责采集散斑图像及后续的互相关分析；光学辅助设备布置在水筒试验段侧观察窗上。通过非接触式光学测量获得桨叶的散斑图像，通过互相关分析得到复合材料叶片的实时变形特征，从而指导复合材料螺旋桨的设计和优化。

说明书

技术领域

本发明涉及螺旋桨测试技术领域，尤其是一种复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统。

背景技术

船用复合材料螺旋桨技术是一种新兴的螺旋桨材料及设计技术，复合材料螺旋桨兼具重量轻、刚度及阻尼可调、刚柔耦合自适应等优点。但由于复合材料相比于金属刚度较低，旋转桨叶水动力载荷带来的流固耦合变形规律尚未完全掌握，建立复合材料桨叶几何及内部结构与变形桨叶水动力性能之间的关系，成为复合材料螺旋桨设计研究面临的关键问题。目前业界尚缺乏成熟的复合材料螺旋桨旋转叶片动态变形的测量方法，无法掌握复合材料桨叶变形和水动力性能的实时特征关系，也就无法为复合材料螺旋桨的设计提供可靠依据。因此，亟需建立一种能够实现复合材料桨旋转叶片动态变形实时测量的试验系统和测试方法，为复合材料螺旋桨的流固耦合适配性设计方法提供试验支撑和验证手段。

发明内容

本发明针对上述问题及技术需求，提出了一种复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统。

本发明的技术方案如下：

一种复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统，包括：两部相机、白光频闪光源设备、同步器、散斑图像采集处理及互相关分析软件系统、光学辅助设备、标靶、动力仪；

两部所述相机分左右布置在空泡水筒试验段侧的观察窗旁，两部所述相机的光轴夹角在12°到15°之间；

所述相机的第一数据传输线与所述散斑图像采集处理及互相关分析软件系统连接，所述相机的第二数据传输线与所述同步器连接；

所述白光频闪光源设备布置在空泡水筒试验段的上部观察窗，用于照亮待测量对象；

所述同步器与所述相机、所述散斑图像采集处理及互相关分析软件系统和所述动力仪连接，用于控制所述相机、所述散斑图像采集处理及互相关分析软件系统和所述动力仪同步工作；

所述标靶布置在待测区域，两部所述相机拍摄获得至少8对所述标靶变换不同位置和方向的散斑图像；

所述散斑图像采集处理及互相关分析软件系统用于采集散斑图像及后续的散斑图像互相关分析，通过计算分析确定摄像系统内外部参数及图像平面与物理三维空间的坐标对应关系，完成双目测试系统标定；

所述光学辅助设备布置在空泡水筒试验段侧观察窗上，用于校正待测试对象的成像光路及减小光学折射带来的图像噪声。

其进一步的技术方案为：所述白光频闪光源设备包括频闪仪和频闪光源，所述频闪光源布置在空泡水筒试验段的上部观察窗，用于照亮待测量对象；所述频闪光源与所述频闪仪连接，所述频闪光源的频闪频率受频闪仪控制。

其进一步的技术方案为：所述标靶包括散斑图像标靶和标记点标靶。

其进一步的技术方案为：所述相机为大景深可调帧速的高分辨率测试相机。

其进一步的技术方案为：所述光学辅助设备包括不同类型的水棱镜。

其进一步的技术方案为：当叶片表面涂成黑白散斑图案的复合材料螺旋桨模型在水中零载荷时，测量系统获得其中最优的预定数量的散斑图像；当复合材料螺旋桨模型在不同载荷工况下旋转时，测试系统分别获得对应各个载荷工况的时间序列的散斑图像，通过将各个载荷工况的散斑图像依次输入所述散斑图像采集处理及互相关分析软件系统，与零载荷的散斑图像做互相关分析并进行三维变形重构，得到相对于零载荷时的叶片时间序列空间变形场；

结合水动测量工作，得到不同载荷下的桨叶变形和桨叶水动力性能的对应关系；

通过对各个载荷工况下的时间序列空间变形场的分析，确定桨叶的材料特性，所述材料特性至少包括刚度和阻尼。

本发明的有益技术效果是：

通过相机、白光频闪光源设备、同步器、散斑图像采集处理及互相关分析软件系统、光学辅助设备、标靶、动力仪等组成的测量系统来对桨叶动态变形进行实时测量，及时掌握叶片在旋转状态下的动态变形情况，采用非接触式光学测量技术，测量过程不影响螺旋桨的水动力性能。

结合力学测量，给出螺旋桨力学特性和变形特性的关系，从而指导复合材料螺旋桨的设计和优化。

附图说明

图1是本发明一个实施例提供的一种复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统的示意图。

图2是本发明一个实施例提供的涂上散斑图案的复合材料螺旋桨的示意图。

图3是本发明一个实施例提供的标定靶的示意图。

图4是本发明一个实施例提供的一种复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统的测量流程图。

图5是本发明一个实施例提供的桨叶变形前右相机的散斑图像。

图6是本发明一个实施例提供的桨叶变形前左相机的散斑图像。

图7是本发明一个实施例提供的桨叶变形后右相机的散斑图像。

图8是本发明一个实施例提供的桨叶变形后左相机的散斑图像。

图9是本发明一个实施例提供的桨叶最大变形和载荷的关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

图1是本发明一个实施例提供的一种复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统的示意图，如图1所示，该测量系统可以包括：两部相机1、白光频闪光源设备2、同步器3、散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4、光学辅助设备5、标靶6、动力仪。

两部相机1分左右布置在空泡水筒试验段侧的观察窗旁，满足待测试对象能够同时在两部相机1的像平面内成像，两部相机1的光轴夹角在12°到15°之间。

两部相机1固定在各自的安装架上，保证两部相机1的光轴位置不变。

可选的，相机1为大景深可调帧速的高分辨率测试相机。

相机1的第一数据传输线与散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4连接，相机1的第二数据传输线与同步器3连接。

白光频闪光源设备2布置在空泡水筒试验段的上部观察窗，用于照亮待测量对象。

可选的，白光频闪光源设备2包括频闪仪和频闪光源，频闪光源布置在空泡水筒试验段的上部观察窗，用于照亮待测量对象；频闪光源与频闪仪连接，频闪光源的频闪频率受频闪仪控制。

同步器3与相机1、散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4和动力仪连接，用于控制相机1、散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4和动力仪同步工作。

将相机1与白光频闪光源设备2、动力仪、同步器3、散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4接通，可以保证频闪光源频率、图像采集频率和螺旋桨模型旋转频率能够实现同步。

标靶6布置在待测区域，两部相机1拍摄获得至少8对标靶6变换不同位置和方向的散斑图像。

可选的，标靶6包括散斑图像标靶和标记点标靶。

散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4用于采集散斑图像及后续的散斑图像互相关分析，采集到的散斑图像输入到散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4中，通过计算分析确定摄像系统内外部参数及图像平面与物理三维空间的坐标对应关系，完成双目测试系统标定。

其中，散斑图像采集功能和散斑图像互相关分析功能通过两个不同的软件实现。

光学辅助设备5布置在空泡水筒试验段侧观察窗上，用于校正待测试对象的成像光路及减小光学折射带来的图像噪声。

可选的，光学辅助设备5包括不同类型的水棱镜。

可选的，在实际使用中，当叶片表面涂成黑白散斑图案的复合材料螺旋桨模型在水中零载荷时，即螺旋桨模型在水中静止时，测量系统获得其中最优的预定数量的散斑图像；当复合材料螺旋桨模型在不同载荷工况下旋转时，测试系统分别获得对应各个载荷工况的时间序列的散斑图像，通过将各个载荷工况的散斑图像依次输入所述散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4，与零载荷的散斑图像做互相关分析并进行三维变形重构，得到相对于零载荷(静止状态)时的叶片时间序列空间变形场。

结合参考图2和图3，图2是涂上散斑图案的复合材料螺旋桨的示意图，图3是标定靶的示意图，采用黑白两色哑光漆喷制，白色哑光漆打底，上面喷洒黑色哑光漆斑点，斑点的大小视变形量的大小来定。标靶6是用来标定测试系统的，即确定两部相机1的内部和外部参数以及三维重构方程，从而根据双目图像可以重构出测量对象的实际三维变形。试验测量前，先进行系统标定，即将标靶6布置于测量区域内，并在双相机1每次拍摄前，调节一次位置和方位，获得标靶6对应不同空间位置的图像，在标定和测量过程中保证相机1位置固定，否则需要重新进行标定；这一过程需至少获得8对标靶散斑图像，并将其输入散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4，获得该测量系统对应的相机参数和重构方程。

结合水动测量工作，得到不同载荷下的桨叶变形和桨叶水动力性能的对应关系，为复合材料螺旋桨线型设计和流固耦合适配性设计提供支撑和验证，指导复合材料螺旋桨设计及结构优化。

通过对各个载荷工况下的时间序列空间变形场的分析，确定桨叶的材料特性，为复合材料螺旋桨的材料选择提供依据，其中，材料特性至少包括刚度和阻尼。

结合参考图1，通过同步器3控制实现动力仪、白光频闪光源设备2和双相机1同步，这样可以保证螺旋桨桨叶运行至某一特定位置时，频闪光源接收触发信号给光，双相机1接收触发信号同时拍摄，获得同一对象的散斑图像。光学辅助设备5主要是有助于获得质量较高的散斑图像。散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4包括螺旋桨图像双目采集软件和散斑图像互相关分析及桨叶变形三维重构软件，分别实现图像采集和变形场的图像分析及重构。

本发明实施例提供的船用复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统的测量流程图如图4所示，包括三部分内容：一是测量系统标定，二是空泡水筒中螺旋桨叶片三维变形双目摄像测量，三是桨叶散斑图像互相关分析及动态变形场三维重构。

结合参考图5至图8，其示出了桨叶变形前后左右相机拍摄的散斑图像，其中，图5是桨叶变形前右相机的散斑图像，图6是桨叶变形前左相机的散斑图像，图7是桨叶变形后右相机的散斑图像，图8是桨叶变形后左相机的散斑图像。将散斑图像输入已完成标定的散斑图像采集处理及互相关分析软件系统4，进行散斑互相关分析处理。通过对图5和图7进行散斑图像互相关分析，得到桨叶在右相机像平面内的变形，进行散斑互相关分析处理；通过对图6和图8进行散斑图像互相关分析，得到桨叶在左相机像平面内的变形，通过对桨叶在左右相机像平面内的变形用标定所得的重构方程进行互相关重构，得到桨叶的空间三维变形，不同时刻的旋转桨叶空间三维变形场的时间序列，就形成了桨叶动态三维变形场。

结合参考图9，其示出了复合材料螺旋桨不同载荷下的桨叶最大变形-载荷曲线，结合桨叶三维变形场，可以用于指导复合材料螺旋桨不同半径的剖面设计和复合材料螺旋桨的流固耦合适配性设计，通过对各载荷工况下的时间序列变形场的分析，可以确定桨叶的刚度及阻尼等材料特性，为复合材料螺旋桨的材料选取提供依据。

本发明实施例提供的复合材料螺旋桨模型旋转叶片水下动态变形双目测量系统，通过非接触式光学测量获得旋转桨叶的散斑图像信息，通过互相关分析得到复合材料旋转叶片的实时变形特征，为复合材料螺旋桨流固耦合适配性设计方法提供试验技术支撑和验证手段。

以上所述的仅是本发明的优先实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。