千眼狼DIC破解无人机旋翼3Hz疲劳测试难题

无人机复合材料旋翼在 3Hz 气动-离心耦合载荷下的全场动态应变与三维位移使用千眼狼(Revealer)数字图像相关(DIC)系统非接触测量。

1 实验背景

无人机旋翼服役期间，周期性气动载荷与离心载荷的耦合作用易引发疲劳失效，典型工况中，旋翼以 3Hz 频率完成挥舞–摆振复合运动，叶根等关键连接区域的应变幅值可达数千微应变，长期循环载荷会导致复合材料分层、裂纹萌生，直接影响飞行安全与整机寿命。

以常规电阻应变片为代表的传统测量手段仅能实现单点数据采集，难以覆盖大跨度、大扭转变形区域，无法反映真实的多维变形场与应变梯度；常规光学测量受工作距离、视场、畸变与光照条件限制，难以在近距离下实现高精度全场测量。为突破上述瓶颈，本实验引入基于数字图像相关(DIC)的双相机立体视觉测量系统，以非接触方式获取旋翼疲劳加载过程中的高分辨率全场应变场与三维位移场。

2 实验设备

本实验采用千眼狼(Revealer)三维数字图像相关(3D DIC)光学测量系统，核心硬件与配套装置如下：

工业相机：分辨率4096×3000，采集帧率20 fps，满足旋翼动态变形的高分辨率与时间同步需求。

成像镜头：17-50 mm变焦镜头，适配短工作距离下 300mm×400mm 视场覆盖，配合小光圈扩大景深，保证全行程清晰成像。

照明系统：与相机帧率同步的闪光光源，搭配哑光散斑制样方案，消除复合材料表面高光与阴影干扰。

机械固定装置与加载设备：三自由度可调云台组件，用于提升相机姿态调节精度与系统抗振稳定性，保障双目立体标定精度；三轴作动器疲劳试验机，用于提供 3Hz 周期性循环载荷，模拟旋翼挥舞–摆振复合载荷工况。

数字图像相关DIC软件RVM：支持智能标定，亚像素匹配，三维位移重建，拉格朗日应变计算、时程分析与云图生成功能。

图1 千眼狼(Revealer)三维数字图像相关(3D DIC)光学测量系统示意图

3 实验方法

实验采用三维数字图像相关(3D DIC)非接触测量方法，基于双目立体视觉，通过序列图像相关计算实现全场变形量化。

首先对无人机旋翼表面进行散斑制备，喷涂白色哑光底漆并粘贴随机散斑贴纸，构建均匀稳定的散斑场。

随后通过数字图像相关DIC软件RVM完成双目相机立体标定，获取相机内外参数与畸变系数，建立统一测量坐标系。

正式采集阶段，疲劳试验机以3 Hz频率施加模拟气动与离心耦合的循环载荷，同步触发双相机以20 fps连续记录序列图像。导入DIC分析软件RVM，经畸变校正、图像滤波、亚像素级相关匹配与三维重建，得到全场三维位移场，基于位移场进一步计算拉格朗日主应变场，沿旋翼展向（叶根→叶尖）与弦向（前缘→后缘）开展定量时程分析与云图可视化。

4 实验序列图像数据解析

4.1 应变场解析

由千眼狼(Revealer)DIC 软件RVM处理序列图像，得到旋翼表面拉格朗日主应变（E1） 时空分布特征。沿旋翼展向，主应变幅值由叶尖向叶根逐步衰减，叶尖区域主应变幅值约 295με，时程曲线呈标准正弦周期特征；向叶根过渡过程中，波形逐渐由单一正弦转变为大小峰交错的周期形态，叶根区域幅值降至约 90με，体现根部刚性约束对变形与应力水平的显著抑制作用。

沿弦向，各截面主应变时程均呈近似正弦周期变化，幅值存在明显差异：叶片中部区域应变幅值最大，约 299με；前缘区域次之；后缘区域幅值最小，仅约 81με，揭示弦向结构刚度与载荷传递的非均匀分布特性。全场应变云图清晰呈现叶根与桨毂连接区的应变集中特征，为疲劳薄弱部位识别提供直接依据。

图2 旋翼表面拉格朗日第一主应变（E1）分析，上图为展向主应变云图与时程曲线，下图为弦向主应变云图与时程曲线

4.2 位移场解析

经千眼狼（Revealer）DIC 软件RVM三维重建得到旋翼全场三维合位移场，变形规律与应变场高度耦合。沿展向，合位移幅值由叶尖向叶根单调递减，叶尖合位移幅值约 0.644mm，叶根处降至约 0.457mm，符合悬臂结构典型变形规律，位移时程曲线呈稳定正弦形态，与 3Hz 加载频率严格同步。

沿弦向，位移从前缘至后缘呈连续梯度递减，前缘合位移幅值约 0.656mm，后缘约 0.486mm，全弦向位移曲线形态一致、相位同步，表明旋翼在试验载荷下以整体协同变形为主，无明显局部畸变或不协调变形。位移场结果精准表征了疲劳载荷下旋翼三维变形模态，为动力学建模与刚度校核提供实测边界条件。

图3 旋翼表面合位移分析，上图为展向合位移云图与时程曲线，下图为弦向合位移云图与时程曲线

5 实验结论

I. 本实验依托三维DIC系统（含双目相机与专用DIC分析软件RVM），成功实现无人机复合材料旋翼在 3Hz 周期性载荷下非接触、高精度、全场动态应变与位移测量，有效解决传统测量方法单点局限、视场不足、近距离畸变与光照干扰等技术难题。

II. 旋翼展向主应变由叶尖至叶根显著衰减，波形由正弦逐步过渡为大小峰交错周期形态；弦向以中部应变最大、后缘最小，明确了旋翼刚度分布与应变集中关键区域。三维合位移沿展向、弦向均呈梯度递减规律，位移时程与载荷频率高度同步，变形模态稳定，验证结构在试验载荷下的变形协调性。

III. 使用千眼狼(Revealer)DIC系统获取的全场应变云图、位移演化曲线及载荷–变形耦合数据，可用于无人机旋翼结构优化、疲劳寿命预测、有限元模型修正，为航空复合材料旋转部件疲劳性能研究提供可靠实验方法与数据支撑。

千眼狼(Revealer)DIC系统凭借其出色的成像精度、软件分析能力和针对复杂旋翼工况的适应性，成为无人机旋翼、风力发电机组叶片、航空航天结构件等领域疲劳测试与结构动力学分析的优选技术方案。