CN110793453B - 适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法，属于光测力学技术领域。该方法先获知待测三维结构件的尺寸，根据待测部位投影得到二维平面的尺寸，利用计算机生成散斑数字图像，利用微型激光雕刻机，把计算机生成的散斑图像，雕刻在纸张上，制成散斑模板。实验时，待测结构试件进行表面处理，利用预制的散斑模板和自喷漆，将预制好的散斑模板，覆盖在待测物的表面结构上，并且使用纸张遮盖不需要制作散斑的部位。使用自喷漆喷涂散斑模板表面，成型后揭开所有散斑模板纸张和遮盖纸张，得到分布于三维曲面结构表面的散斑模板图样。本方法实施快速简单、操作易学，适用复杂曲面结构表面。

Description

适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法
技术领域
本发明涉及工程材料与光测力学、变形测量技术领域，特别是指一种适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法。
背景技术
航空航天、车辆制造等行业的快速发展，对各类结构部件的结构性能测量和可靠性评估提出了更加严格的要求。航空发动机涡轮叶片、高速航天器隔热瓦以及车辆防撞梁等部件，其结构外形为三维异形曲面结构。
在利用以人工散斑为变形信息载体的基于数字图像相关非接触式变形测量方法对上述结构部件进行变形测量时，被测结构部件的复杂结构对人工散斑的制备提出了新的挑战。被测结构的曲面异形部位、三维结构和孔洞等，对人工散斑的随机位置分布、大小尺寸分布和影响灰度的浓度分布都会造成影响。
目前，常规的人工散斑制备方法包括人工随机喷涂方法、专用设备刻蚀方法以及散斑模板配合各类腐蚀方法等。
中国专利CN101905210A公开了一种用于高温环境变形测量的散斑制作方法，该方法选用经过配比的溶液，使用毛刷或滴管随机点涂、喷溅在试件表面，即人工随机喷涂方法。上述方法难以控制散斑点的分布和尺寸，且很难同时保证三维结构的沟槽等部位能够布置合适的散斑图样。
中国专利CN102445158A分别公开了一种制作高温散斑的方法，该方法采用等离子体刻蚀机，利用计算机随机生成大小、数量随机的散斑图像，将图像直接刻蚀到材料表面。该方法设备昂贵，难以直接携带到测试现场，并且难以对异形曲面结构进行刻蚀。中国专利CN103808440A公开了一种微纳米散斑的制备方法和***，该方法采用了聚焦离子束设备，直接在材料表面刻蚀。同样存在上述设备昂贵、使用不便等问题。
中国专利CN108195298A公开了一种高温散斑及其可调控制备方法，该方法利用计算机随机生成大小、数量随机的散斑图像，利用机械加工或3D打印方法制作树脂或橡胶材料的散斑模板，采用特制的高温散斑材料溶液，模板铺设到试件表面，溶剂在试件表面固化成型。该方法应用了散斑模板，实现了散斑大小、分布的可调控制备，但是其散斑成型步骤工艺复杂，需要用到真空箱、加热固化装置等，设备复杂，散斑制备速度耗时较长，难以直接携带到测试现场。中国专利CN108036919A公开了一种应用于高超声速飞行器风洞试验的高温散斑制作方法，该方法利用计算机随机生成大小、数量随机的散斑图像，将图像打印到蜡纸上，晾干制作成散斑模板，最终模板放置在金属试样表面，利用电化学腐蚀设备，将散斑图样腐蚀成型。该方法制作的散斑同样实现了散斑大小、分布的可调控，且稳固性较好，但是其电化学腐蚀设备价格高昂，操作复杂，难以携带到测试现场制作散斑，并且只能应用于特定的金属试样，对于不导电的非金属材料不适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法。该方法能够允许实验人员在不同的实验场所现场快速制备人工散斑，并且对于带有孔洞的曲面结构等能够很好的实现人工散斑分布随机、大小随机。
该方法包括准备阶段和制备阶段，具体步骤如下：
S1：准备阶段：实验前散斑模板制备：
S11：利用已知的待测三维构件外型尺寸，投影得到二维平面尺寸；
S12：根据二维平面尺寸，利用计算机生成散斑数字图像；
S13：利用微型激光雕刻机，把计算机生成的散斑数字图像，雕刻在所选规格的纸张上，制成散斑模板；
S2：制备阶段：实验制备人工散斑：
S21：将待测结构试件进行表面处理；
S22：将S13预制好的散斑模板，覆盖在S21中表面处理过的待测结构试件表面，使用纸张遮盖不需要制作散斑的部位；
S23：使用自喷漆喷涂散斑模板表面，以颜色均匀覆盖全部模板表面为准；
S24：自喷漆成型后，揭开所有散斑模板纸张和遮盖纸张，得到分布于三维曲面结构表面的散斑模板图样。
其中，S21中待测结构试件进行表面处理具体为去除待测结构试件表面灰尘。
S24中自喷漆成型时间为3-5分钟。
S13中纸张为普通打印纸。
其中，S1在实验前完成。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，使用的散斑模板为普通打印纸，其可塑性强，能够折叠成特殊形状，便于覆盖三维结构件的燕尾槽等异形部位、便于切割出孔洞，便于覆盖与各类异形曲面结构。
本发明将散斑模板的制作和被测物表面人工散斑的制作两个步骤相分离，将耗时较长的散斑模板制作步骤提前预制完成，因而能够允许实验人员在不用的实验现场，针对具有不同结构不同材料的实验对象，快速制备人工散斑到被测物表面，现场制备人工散斑工作耗时不超过15分钟。
本发明实现的散斑效果，相较于传统的人工随机喷溅，可以不影响被测物的其它表面，只对感兴趣的测试区域定向布置人工散斑图样。
本发明所用微型激光雕刻机，其使用成本相较于等离子体刻蚀、聚焦离子束等设备大大降低，耗材部分为80g打印纸和自喷漆，整体实验成本低廉，操作技术简单易学，便于大规模推广。
本发明所制备的人工散斑具有一定的耐高温性，其取决于所使用的耐高温自喷漆性能。
本发明为三维曲面异形结构表面人工散斑制备提供了快速有效的制作手段，能够满足人工散斑的：尺寸随机、分布随机的基本要求。并且现场散斑制作方法简单高效，成本低廉，能够很好的推动基于数字图像相关方法的非接触式材料/构件变形检测技术的发展。
附图说明
图1为本发明的适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法流程图；
图2为本发明实施例中散斑模板雕刻过程；
图3为本发明实施例中使用散斑的喷涂过程。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法。如图1所示，该方法包括准备阶段和制备阶段，具体步骤如下：
S1：准备阶段：实验前散斑模板制备：
S11：利用已知的待测三维构件外型尺寸，投影得到二维平面尺寸；
S12：根据二维平面尺寸，利用计算机生成散斑数字图像；
S13：利用微型激光雕刻机，把计算机生成的散斑数字图像，雕刻在所选规格的纸张上，制成散斑模板；
S2：制备阶段：实验制备人工散斑：
S21：将待测结构试件进行表面处理；
S22：将S13预制好的散斑模板，覆盖在S21中表面处理过的待测结构试件表面，使用纸张遮盖不需要制作散斑的部位；
S23：使用自喷漆喷涂散斑模板表面，以颜色均匀覆盖全部模板表面为准；
S24：自喷漆成型后，揭开所有散斑模板纸张和遮盖纸张，得到分布于三维曲面结构表面的散斑模板图样。
在具体实施过程中，实验前阶段，首先由测试人员提前获知待测物的待测面三维结构外形信息，对该三维结构进行二维投影，得到平面状态下的二维尺寸，用以指导后续的散斑模板制作。在这一过程中，同时也可以预先避开不必测量的孔洞、拐角等区域。然后，测试人员结合二维尺寸形状信息，利用计算机生成一副对应尺寸的散斑模板数字图像，此时散斑图像的散斑尺寸、分布位置通过计算机内置的随机函数算法得到。最后，将散斑模板数字图像，输入到微型激光雕刻机控制软件内，并在激光雕刻机操作台上布置好对应尺寸的打印纸张，最终雕刻得到散斑模板实体。
实验中的实施阶段，首先由测试人员对待测三维构件进行表面预处理，预处理的步骤主要是为了增强自喷漆的黏着性能，避免如金属类试件表面锈蚀、薄膜类试件表面水性滑脱等。然后，再用散斑模板覆盖到需要制作散斑图样的位置，保证模板的贴附，并且用其它纸张遮挡不必测量的区域，即不必制作散斑的区域。然后由测试人员手持自喷漆，均匀喷涂自喷漆到散斑模板表面，均匀的标准以颜色覆盖散斑模板为准。最后揭开散斑模板和相应遮盖用纸，晾干得到制作好的散斑图样，开始进行后续的测试和实验工作。
如图2所示，是本发明实施例的散斑模板制作过程。微型激光雕刻机正在发射450nm蓝色连续激光，其光强可调，因而可实现单束激光烧蚀不同大小的孔洞。同样也可以移动激光头，在纸张上雕刻出线、圆等结构。图中雕刻中的散斑模板，可以看到其表面分布了不同位置的孔洞。
如图3所示，是本发明实施例的示意图。将一块提前预制好的散斑模板，其横向尺寸刚好覆盖圆形试件的直径的一半。然后将散斑模板覆盖到待测区域，在对待测试件其他位置进行保护后，使用黑色自喷漆进行喷涂。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法，其特征在于：包括准备阶段和制备阶段，具体步骤如下：
S1：准备阶段：实验前散斑模板制备：
S11：利用已知的待测三维构件外型尺寸，投影得到二维平面尺寸；
S12：根据二维平面尺寸，利用计算机生成散斑数字图像；
S13：利用微型激光雕刻机，把计算机生成的散斑数字图像，雕刻在所选规格的纸张上，制成散斑模板；
S2：制备阶段：实验制备人工散斑：
S21：将待测结构试件进行表面处理；
S22：将S13预制好的散斑模板，覆盖在S21中表面处理过的待测结构试件表面，使用纸张遮盖不需要制作散斑的部位；
S23：使用自喷漆喷涂散斑模板表面，以颜色均匀覆盖全部模板表面为准；
S24：自喷漆成型后，揭开所有散斑模板纸张和遮盖纸张，得到分布于三维曲面结构表面的散斑模板图样；
所述S24中自喷漆成型时间为3-5分钟。
2.根据权利要求1所述的适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法，其特征在于：所述S21中待测结构试件进行表面处理具体为去除待测结构试件表面灰尘。
3.根据权利要求1所述的适用于三维曲面异形结构的简易快速人工散斑制备方法，其特征在于：所述S13中纸张为普通打印纸。
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