CN112539915A - 水下航行体结构内部应力波动态显示系统及方法 - Google Patents

Abstract

水下航行体结构内部应力波动态显示系统，包括水下航行体工件、空化水洞、光路系统、明暗条纹图像采集系统以及应力波图像后处理系统。水下航行体工件模拟几何形态为回转体的水下航行体。空化水洞为水下航行体工件提供航行环境。光路系统提供瞬态激光光源；明暗条纹图像采集系统采集空化现象时水下航行体工件内部光弹材料上所呈现出的明暗条纹图像，发送给应力波图像后处理系统；应力波图像后处理系统对明暗条纹图像进行定量分析，解耦获得水下航行体工件内部的横波、纵波以及瑞利波，获得各波型的波长、传播速度、空间分布坐标。本发明同时提供了动态显示方法。本发明实现了应力波的精细化测量，突破了传统光弹成像技术仅适用于平面结构的限制。

Description

水下航行体结构内部应力波动态显示系统及方法

技术领域

本发明涉及一种应力波动态显示技术，尤其涉及一种空化载荷作用下水下航行体结构内部应力波动态显示系统及方法。

背景技术

空化载荷是水下航行体高速水动力学的经典和前沿问题之一，含空泡团脱落、空泡脉动、水射流和溃灭冲击波等多种形式的复合载荷，具有强瞬时、多尺度、强冲击等典型特征，迫使航行体结构内部的固体介质受迫振动并以复杂应力波的形式传播。结构应力波诱发航行体产生结构振动、噪声、空蚀等问题，是造成航行体弹道稳定性失稳以及结构破坏的主要因素，研究空化载荷作用下水下航行体结构内部应力波的瞬态演化过程有利于推动水下航行体水动力载荷控制技术的整体提升。

国内外现有的动态光弹成像法可对平面固体结构内部的应力波进行全结构场成像，是测量应力波传播特性的重要实验手段。

(1)一种应力测量方法及盈利测量光路装置(CN110954253A)；采用光弹成像技术设计了一种应力测量方法及应力测量光路装置，通过在平面试样两侧同时进行光弹方法和数字图像相关方法获得试样全场的应力差和应变值。

(2)Method of measuring a sound pressure distribution in a solid bodydue to a ultrasonic probe by using photoelasticity(US4733963A)；设计了一种高灵敏度的光弹图像的合成方法，脉冲激光束通过物镜、起偏镜照射到透明平面玻璃测试件上，实现光弹性效应成像，得到透明玻璃测试件的应力波。

(3)固体中超声场的动态光弹成像研究(《中国声学学会全国声学学术会议》，2014年)；针对平面固体中超声场的动态光弹成像进行了分析，介绍了动态光弹法在应力波上的应用的理论研究。

(4)阵列式超声无损检测中的多通道光弹成像研究(《测试技术学报》,2016年第30期第2卷)；利用超声波本质的应力波属性，及偏振光干涉原理，研制了针对平面非晶体结构应力波测量的多通道动态光弹成像系统。

以上光弹成像实验研究针对平面几何形态的光弹靶件进行了研究，尚无法对几何形态为回旋体的水下航行体结构内部应力波进行精细化成像。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供水下航行体结构内部应力波动态显示系统及方法。

本发明的技术解决方案：

水下航行体结构内部应力波动态显示系统，包括水下航行体工件、空化水洞、光路系统、明暗条纹图像采集系统以及应力波图像后处理系统；

水下航行体工件：用于模拟几何形态为回转体的水下航行体；

空化水洞：为水下航行体工件提供航行环境，水流按设定的初速度和空化数流淌过水下航行体工件表面，当产生空化现象时水下航行体工件内部光弹材料产生应变现象；

光路系统：为水下航行体工件内部产生应力波提供所需的瞬态激光光源；

明暗条纹图像采集系统：采集空化现象时水下航行体工件内部光弹材料上所呈现出的明暗条纹图像，发送给应力波图像后处理系统；

应力波图像后处理系统：对明暗条纹图像进行定量分析，解耦获得水下航行体工件内部的横波、纵波以及瑞利波，获得各波型的波长、传播速度、空间分布坐标。

水下航行体工件包括基体、第一凸透镜、凹透镜和光弹材料；基体的几何形态为回转体，在待观察位置处对基体进行径向镂空，第一凸透镜的轮廓曲率与基体的曲率相同，并将所述第一凸透镜安装在基体的镂空处，安装到位后，第一凸透镜外轮廓与基体径向镂空前的轮廓重合；将凹透镜安装在第一凸透镜内侧，并且凹透镜的焦点与凸透镜的焦点相互重合；将几何形态为平面的光弹材料放置于水下航行体工件内部，通过改变光弹材料在镂空位置中的径向位置实现应力波在水下航行体工件内部三维空间中的图像采集。

光弹材料是几何形状为长方体的非晶体材料。

所述的光路系统包括瞬态激光光源、准直光路系统和光弹光路系统，所述的准直光路系统包括第二凸透镜、扩束镜、第一平面镜、第二平面镜、第一准直镜和第二准直镜，沿着激光光束的传播方向，依次放置第二凸透镜、扩束镜、第一平面镜，经第一平面镜反射的光束入射到第一准直镜，经第一准直镜平行处理后的光束入射到第二准直镜，反射后经第二平面镜后入射到明暗条纹图像采集系统。

第一准直镜和第二准直镜之间的光束为平行光。

所述的光弹光路系统包括第一偏振片、第二偏振片、第一四分之一波片、第二四分之一波片；

经第一准直镜处理后的平行光依次穿过第一偏振片、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二偏振片进入第二准直镜；所述第一偏振片、第一四分之一波片构成第一光弹光路子系统，第二四分之一波片和第二偏振片构成第二光弹光路子系统，水下航行体工件和空化水洞位于第一光弹光路子系统和第二光弹光路子系统之间。

第一偏振片和第二偏振片的位置关于空化水洞对称，第一四分之一波片和第二四分之一波片关于空化水洞对称。

调节第一四分之一波片的光轴，使其处于+45°处，调节第二四分之一波片的光轴，使其处于-45°处，第一四分之一波片和第二四分之一波片的光轴与第一偏振片和第二偏振片的偏振轴重合。

明暗条纹图像采集系统包括高速摄像机、计算机图像处理模块和延迟触发器；高速摄像机记录水下航行体工件内部光弹材料上所呈现出的明暗条纹图像；计算机图像处理模块通过图像处理技术对明暗条纹图像进行可视化成像处理；延迟触发器将单股触发信号分流成两股不同时段的触发信号，分别控制高速摄像机、计算机图像处理模块的启动与关闭，从而实现对上述两者的延迟触发。

水下航行体结构内部应力波动态显示方法，包括如下步骤：

(1)将水下航行体工件安装在空化水洞中；

(2)开启瞬态激光光源，精确调整各光学元件的参数，使水下航行体工件内部根据空化载荷产生动态响应，以确定光学元件的排列处于最优位置；

(3)设置空化水洞的流动参数，启动空化水洞并等待空化水洞中水流工况达到预设参数；

(4)触发延迟触发器，高速摄像机记录空化载荷作用下水下航行体工件内部的明暗条纹，并将明暗条纹图像储存于计算机图像处理模块；如果需要保持光弹材料位置和材料不变，研究空化水洞的流动参数对应力波的规律影响，则重复步骤(3)；如果需要研究不同光弹材料的力学属性及空间位置对应力波的影响，则进入步骤(5)；

(5)更换光弹材料、改变光弹材料在水下航行体工件中的空间位置，重复步骤(1)至步骤(4)；

(6)运行应力波图像后处理系统，将计算机图像处理模块中的明暗条纹图像解耦成为横波、纵波以及瑞利波，并获得其定量参数；分析实验结果是否满足实验要求，如果不满足，则重复步骤(1)至步骤(4)；如果满足实验要求，则结束实验。

本发明与现有技术相比的有点在于：

(1)本发明的空化载荷作用下水下航行体结构内部应力波动态显示系统在回转体结构内部实现了应力波的精细化测量，突破了传统光弹成像技术仅适用于平面结构成像的限制。

(2)本发明实现了将光弹实验所获的明暗条纹进行解耦处理，精确获得航行体结构内部的横波、纵波以及瑞利波等多种复杂应力波系的定量信息。

(3)本发明实现了航行体内部应力波图像的三维空间精细化捕捉，从传统应力波二维投影结果的基础上，进一步拓宽了动态光弹成像技术在水下航行体领域的应用场景。

(4)本发明系统易于操作，结构紧凑有序、简单方便，易于安装、拆卸和移动，能够高效准确的完成实验任务，获取实验数据等特点。

附图说明

图1为航行体工件及其内部光学元件组成示意图；其中，1-第一凸透镜、2-入射平行光、3-凹透镜、4-光弹材料、5-空化载荷、6-水下航行体工件；

图2为空化载荷作用下水下航行体工件内部应力波动态显示系统示意图；其中，7-第一四分之一波片、8-第一偏振片、9-第一准直镜、10-第一平面镜、11-扩束镜，12-第一凸透镜、13-瞬态激光光源、14-空化水洞入口、15-空化水洞、16-第二四分之一波片、17-第二偏振片、18-第二准直镜、19-第二平面镜、20-高速摄像机、21-空化水洞出口、22-计算机图像处理模块、23-延迟触发器、24-触发信号；

图3为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供一种空化载荷作用下水下航行体结构内部应力波动态显示系统，该动态显示系统包括水下航行体工件、空化水洞、光路系统、明暗条纹图像采集系统以及应力波图像后处理系统。

水下航行体工件的内部结构由凹透镜3、第一凸透镜1以及非晶体光弹材料4等光学元件组成。将几何形态为回转体的水下航行体工件6在径向位置镂空；将第一凸透镜1加工成与航行体工件6的曲率相同的轮廓，并将第一凸透镜1安装在水下航行体工件的镂空处；将凹透镜3安装在第一凸透镜1内侧，并且凹透镜3的焦点与第一凸透镜1的焦点相互重合；并将几何形态为平面的光弹材料4放置于水下航行体工件内部，通过改变光弹材料4在通孔中的径向位置可实现应力波在水下航行体结构内部三维空间中的图像采集；入射光线依次通过第一凸透镜1、凹透镜3、光弹材料4。

水下航行体工件6安装在空化水洞15中。空化水洞中水流按设定的初速度和空化数流淌过航行体工件表面，当产生空化现象时航行体内部光弹材料产生应变现象；空化水洞的前后壁面由透明玻璃制成，允许光线透过。图2中14为空化水洞入口，21为空化水洞出口。

光路系统由准直光路系统和光弹光路系统组成。所述的准直光路系统由第二凸透镜、扩束镜、平面镜以及准直镜等光学元件组成，通过上述组合可实现将普通光源在航行体周围形成平行光，有利于光弹实验结果的精确度；所述的光弹光路系统由两组偏振片和四分之一波片组成，当空化载荷作用于航行体表面时，通过上述光学元件的组合应用使得光弹材料内部的应力波以明暗条纹的形式展现。

明暗条纹图像采集系统包括高速摄像机20、计算机图像处理模块22和延迟触发器23。高速摄像机20记录水下航行体结构内部光弹材料上所呈现出明暗条纹图像。计算机图像处理模块22通过图像处理技术对明暗条纹图像进行可视化成像处理。延迟触发器23将单股触发信号分流成两股不同时段的触发信号，分别控制高速摄像机和计算机图像处理模块的启动与关闭，从而实现对上述两者的延迟触发。

应力波图像后处理系统是以光学的反射定律、折射定律和几何学理论为理论基础，基于射线追踪方法(Ray-Tracing Analysis Method)的多种应力波动态识别与分析技术，将所述的明暗条纹图像采集系统得到的图像进行定量分析，解耦获得航行体结构内部的横波、纵波以及瑞利波等多种复杂应力波，获得各波型的波长、传播速度、空间分布坐标等定量信息。

实施例：

光路系统是空化载荷作用下水下航行体工件内部应力波显示技术的核心部分，图1给出了曲面水下航行体工件及其内部光学元件组成示意图。应力-光折射理论和偏振光干涉原理所限制，光弹光路系统要求入射光线必须平行光路，所测试水下航行体工件的光源入射面和透射面必须为平面结构，然而水下航行体工件的主体部分(基体)为典型的回转曲面结构，不能满足现有动态光弹成像系统的上述技术要求。为解决上述问题，本实施例将直径为40mm的水下航行体工件6在径向中心位置处镂空出截面为20mm×20mm的通孔。将第一凸透镜1外形加工成与水下航行体工件外壳6具有相同曲率的轮廓，并将第一凸透镜1安装在水下航行体工件的镂空边界处，采用树脂胶水粘合缝隙。使用与第一凸透镜1具有相同焦距(L＝3mm)的凹透镜3，并将两透镜的焦点相互重合，以保证入射的平行光线2在经第一凸透镜1和凹透镜3的透射之后仍保持平行。采用几何形状为长方体的光弹材料3(PSM，Photoelastic Inc.,Raileigh,NC,USA)作为应力波测量工件，通过改变光弹材料在通孔中的径向位置可实现在空化载荷5作用下应力波在水下航行体工件内部的三维空间尺度的数据采集。此外，改变光弹材料3的力学参数(杨氏模量、泊松比)，可研究不同材料参数对水下航行体结构内部应力波的影响规律。

图2给出了空化载荷作用下水下航行体工件内部应力波动态显示系统示意图。将水下航行体工件6安装在空化水洞15(最小空化数为0.30，最大流速20m/s)中。空化水洞中水流从水洞入口14处按设定的初速度和空化数流淌过航行体工件6的曲面外壳。当流速和空化数一定时，水下航行体工件周围液体产生空化相变现象，并且空化现象的发生、发展及脱落过程对航行体表面产生非定常的空化载荷5，进而诱发光弹材料3内部的应力和应变的瞬态变化。所述空化水洞的前后壁面15由透明玻璃制成，允许光线透过，便于图像采集。通过调节空化水洞15的流动参数(流速和空化数)，可实现不同的空化载荷，进而研究不同空化载荷对航行体应力波的影响。

光路系统是空化载荷作用下水下航行体工件内部应力波显示系统的重要组成部分，由准直光路系统和光弹光路系统组成。准直光路系统由第二凸透镜12、扩束镜11、第一平面镜10、第二平面镜19、第一准直镜9和第二准直镜18等光学元件组成，通过上述组合可实现将普通光源在水下航行体工件周围转化为平行光2，有利于提高光弹实验的精确度。光弹光路系统由两组偏振片(8和17)和四分之一波片(7和16)组成，且其位置对称位于空化水洞15的两侧。调节四分之一波片(7和16)的光轴使其分别处于+45°和-45°处，并对准放置在偏振片(8和17)的偏振轴中心处，保持光轴和偏振轴彼此重合。偏振片和四分之一波片之间的间隔为20mm。水下航行体工件遇到空化载荷5作用时，迫使内部光弹材料3产生应力和应变的瞬态变化，通过上述光学元件的组合应用使光弹材料3内部的应力波以明暗条纹的可视化形式展现。

明暗条纹图像采集系统是实现实验数据高效采集和储存的重要模块。使用高速摄像机20(GP-MF 552，Panasonic)记录在空化载荷5作用下光弹材料4上所呈现出明暗条纹图像，计算机图像处理模块22(Dimension XPS M233S，Dell)通过图像处理技术对明暗条纹图像进行可视化成像处理。由于光路从激光光源13(ND:YAG激光器，脉冲宽度为6ns的倍频，波长λ＝512nm,New Wave Research)处传播到高速摄像机20处尚需耗费一定的时间，以及计算机图像处理模块22的开启时间需要滞后于高速摄像机20的图像采集时间，因此，光源13、高摄像机20以及计算机图像处理模块22需要设置不同的触发时间。为此，采用延迟触发器23(XM-87,Delay Generator)将单股触发信号分流成三股不同时段的TTL脉冲式触发信号24，分别控制光源13、高速摄像机20和计算机图像处理模块22的启动与关闭，从而实现对上述三者的精确延迟触发。

将光弹材料3的力学参数(杨氏模量和泊松比)输入应力波图像后处理系统，基于材料力学基础理论分别计算出横波、纵波以及瑞利波等多种应力波的波长和波速。再以光学的反射定律、折射定律和几何学理论为理论基础，计算出各种波型在瞬态演化过程中的空间分布坐标。最后基于射线追踪方法(Ray-Tracing Analysis Method)的多种应力波动态识别与分析技术，将数值所得各波型空间坐标与实验所得的明暗条纹图像进行对比，从而解耦获得航行体结构内部的横波、纵波以及瑞利波等多种复杂应力波。

如图3所示，一种空化载荷作用下水下航行体结构内部应力波动态显示方法，包括以下步骤：

(1)将水下航行体工件内部的凹透镜、第一凸透镜以及光弹材料按照上述解析的光学元件组合方式进行安装，并将水下航行体工件安装在空化水洞中。

(2)开启瞬态激光光源，按照上述的安装逻辑精确调整各光学元件的参数(角度、距离等)，使水下航行体工件内部根据空化载荷产生动态响应，以确定光学元件的排列处于最优位置。

(3)设置空化水洞的流动参数(包括水流初速度和空化数)，启动空化水洞并等待空化水洞中水流工况达到预设参数。

(4)触发延迟触发器，高速摄像机记录空化载荷作用下水下航行体结构内部的明暗条纹，并将明暗条纹的图像储存于计算机图像处理模块。如果需要保持光弹材料不变，研究空化水洞的流动参数对应力波的规律影响，则重复步骤(3)；如果需要研究不同光弹材料的力学属性及空间位置对应力波的影响，则进入步骤(5)。

(5)更换光弹材料、改变光弹材料在水下航行体工件中的空间位置，重复步骤(1)至步骤(4)。

(6)执行应力波图像后处理系统，将计算机图像处理模块中的明暗条纹解耦成为横波、纵波以及瑞利波等多种复杂应力波，并获得其定量参数。分析实验结果是满足实验要求，如果不满足，则重复步骤(1)至步骤(4)；如果满足实验要求，则结束实验。

本发明能够研究不同光弹材料的结构参数(杨氏模量、泊松比)、空化水洞流动参数(来流速度、空化数)对水下航行体结构内部应力波发展与演化的影响，获得应力波的瞬态演化过程的波系形态、波系种类及其空间分布。同时还能够分析空化载荷作用下水下航行体结构内部应力波的作用机理。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.水下航行体结构内部应力波动态显示系统，其特征在于：包括水下航行体工件、空化水洞、光路系统、明暗条纹图像采集系统以及应力波图像后处理系统；

水下航行体工件：用于模拟几何形态为回转体的水下航行体；

空化水洞：为水下航行体工件提供航行环境，水流按设定的初速度和空化数流淌过水下航行体工件表面，当产生空化现象时水下航行体工件内部光弹材料产生应变现象；

光路系统：为水下航行体工件内部产生应力波提供所需的瞬态激光光源；

明暗条纹图像采集系统：采集空化现象时水下航行体工件内部光弹材料上所呈现出的明暗条纹图像，发送给应力波图像后处理系统；

应力波图像后处理系统：对明暗条纹图像进行定量分析，解耦获得水下航行体工件内部的横波、纵波以及瑞利波，获得各波型的波长、传播速度、空间分布坐标。

2.根据权利要求1所述的水下航行体结构内部应力波动态显示系统，其特征在于：水下航行体工件包括基体、第一凸透镜(1)、凹透镜(3)和光弹材料(4)；基体的几何形态为回转体，在待观察位置处对基体进行径向镂空，第一凸透镜(1)的轮廓曲率与基体的曲率相同，并将所述第一凸透镜(1)安装在基体的镂空处，安装到位后，第一凸透镜(1)外轮廓与基体径向镂空前的轮廓重合；将凹透镜(3)安装在第一凸透镜(1)内侧，并且凹透镜的焦点与凸透镜的焦点相互重合；将几何形态为平面的光弹材料(4)放置于水下航行体工件(6)内部，通过改变光弹材料(4)在镂空位置中的径向位置实现应力波在水下航行体工件(6)内部三维空间中的图像采集。

3.根据权利要求1所述的水下航行体结构内部应力波动态显示系统，其特征在于：光弹材料(4)是几何形状为长方体的非晶体材料。

4.根据权利要求1所述的水下航行体结构内部应力波动态显示系统，其特征在于：所述的光路系统包括瞬态激光光源(13)、准直光路系统和光弹光路系统，所述的准直光路系统包括第二凸透镜(12)、扩束镜(11)、第一平面镜(10)、第二平面镜(19)、第一准直镜(9)和第二准直镜(18)，沿着激光光束的传播方向，依次放置第二凸透镜(12)、扩束镜(11)、第一平面镜(10)，经第一平面镜(10)反射的光束入射到第一准直镜(9)，经第一准直镜(9)平行处理后的光束入射到第二准直镜(18)，反射后经第二平面镜(19)后入射到明暗条纹图像采集系统。

5.根据权利要求3所述的水下航行体结构内部应力波动态显示系统，其特征在于：第一准直镜(9)和第二准直镜(18)之间的光束为平行光。

6.根据权利要求4所述的水下航行体结构内部应力波动态显示系统，其特征在于：所述的光弹光路系统包括第一偏振片(8)、第二偏振片(17)、第一四分之一波片(7)、第二四分之一波片(16)；

经第一准直镜(9)处理后的平行光依次穿过第一偏振片(8)、第一四分之一波片(7)、第二四分之一波片(16)和第二偏振片(17)进入第二准直镜(18)；所述第一偏振片(8)、第一四分之一波片(7)构成第一光弹光路子系统，第二四分之一波片(16)和第二偏振片(17)构成第二光弹光路子系统，水下航行体工件和空化水洞位于第一光弹光路子系统和第二光弹光路子系统之间。

7.根据权利要求5所述的水下航行体结构内部应力波动态显示系统，其特征在于：第一偏振片(8)和第二偏振片(17)的位置关于空化水洞(15)对称，第一四分之一波片(7)和第二四分之一波片(16)关于空化水洞(15)对称。

8.根据权利要求6所述的水下航行体结构内部应力波动态显示系统，其特征在于：调节第一四分之一波片(7)的光轴，使其处于+45°处，调节第二四分之一波片(16)的光轴，使其处于-45°处，第一四分之一波片(7)和第二四分之一波片(16)的光轴与第一偏振片(8)和第二偏振片(17)的偏振轴重合。

9.根据权利要求1所述的水下航行体结构内部应力波动态显示系统，其特征在于：明暗条纹图像采集系统包括高速摄像机(20)、计算机图像处理模块(22)和延迟触发器(23)；高速摄像机(20)记录水下航行体工件内部光弹材料上所呈现出的明暗条纹图像；计算机图像处理模块(22)通过图像处理技术对明暗条纹图像进行可视化成像处理；延迟触发器(23)将单股触发信号分流成两股不同时段的触发信号，分别控制高速摄像机(20)、计算机图像处理模块(22)的启动与关闭，从而实现对上述两者的延迟触发。

10.水下航行体结构内部应力波动态显示方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将水下航行体工件安装在空化水洞中；

(2)开启瞬态激光光源，精确调整各光学元件的参数，使水下航行体工件内部根据空化载荷产生动态响应，以确定光学元件的排列处于最优位置；

(3)设置空化水洞的流动参数，启动空化水洞并等待空化水洞中水流工况达到预设参数；

(4)触发延迟触发器，高速摄像机记录空化载荷作用下水下航行体工件内部的明暗条纹，并将明暗条纹图像储存于计算机图像处理模块；如果需要保持光弹材料位置和材料不变，研究空化水洞的流动参数对应力波的规律影响，则重复步骤(3)；如果需要研究不同光弹材料的力学属性及空间位置对应力波的影响，则进入步骤(5)；

(5)更换光弹材料、改变光弹材料在水下航行体工件中的空间位置，重复步骤(1)至步骤(4)；

(6)运行应力波图像后处理系统，将计算机图像处理模块中的明暗条纹图像解耦成为横波、纵波以及瑞利波，并获得其定量参数；分析实验结果是否满足实验要求，如果不满足，则重复步骤(1)至步骤(4)；如果满足实验要求，则结束实验。

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