無人機復合材料旋翼在 3Hz 氣動-離心耦合載荷下的全場動態應變與三維位移使用千眼狼(Revealer)數字圖像相關(DIC)系統非接觸測量。

1 實驗背景

無人機旋翼服役期間，周期性氣動載荷與離心載荷的耦合作用易引發疲勞失效，典型工況中，旋翼以 3Hz 頻率完成揮舞–擺振復合運動，葉根等關鍵連接區域的應變幅值可達數千微應變，長期循環載荷會導致復合材料分層、裂紋萌生，直接影響飛行安全與整機壽命。

以常規電阻應變片為代表的傳統測量手段僅能實現單點數據采集，難以覆蓋大跨度、大扭轉變形區域，無法反映真實的多維變形場與應變梯度；常規光學測量受工作距離、視場、畸變與光照條件限制，難以在近距離下實現高精度全場測量。為突破上述瓶頸，本實驗引入基于數字圖像相關(DIC)的雙相機立體視覺測量系統，以非接觸方式獲取旋翼疲勞加載過程中的高分辨率全場應變場與三維位移場。

2 實驗設備

本實驗采用千眼狼(Revealer)三維數字圖像相關(3D DIC)光學測量系統，核心硬件與配套裝置如下：

工業相機：分辨率4096×3000，采集幀率20 fps，滿足旋翼動態變形的高分辨率與時間同步需求。

成像鏡頭：17-50 mm變焦鏡頭，適配短工作距離下 300mm×400mm 視場覆蓋，配合小光圈擴大景深，保證全行程清晰成像。

照明系統：與相機幀率同步的閃光光源，搭配啞光散斑制樣方案，消除復合材料表面高光與陰影干擾。

機械固定裝置與加載設備：三自由度可調云臺組件，用于提升相機姿態調節精度與系統抗振穩定性，保障雙目立體標定精度；三軸作動器疲勞試驗機，用于提供 3Hz 周期性循環載荷，模擬旋翼揮舞–擺振復合載荷工況。

數字圖像相關DIC軟件RVM：支持智能標定，亞像素匹配，三維位移重建，拉格朗日應變計算、時程分析與云圖生成功能。

圖1 千眼狼(Revealer)三維數字圖像相關(3D DIC)光學測量系統示意圖

3 實驗方法

實驗采用三維數字圖像相關(3D DIC)非接觸測量方法，基于雙目立體視覺，通過序列圖像相關計算實現全場變形量化。

首先對無人機旋翼表面進行散斑制備，噴涂白色啞光底漆并粘貼隨機散斑貼紙，構建均勻穩定的散斑場。

隨后通過數字圖像相關DIC軟件RVM完成雙目相機立體標定，獲取相機內外參數與畸變系數，建立統一測量坐標系。

正式采集階段，疲勞試驗機以3 Hz頻率施加模擬氣動與離心耦合的循環載荷，同步觸發雙相機以20 fps連續記錄序列圖像。導入DIC分析軟件RVM，經畸變校正、圖像濾波、亞像素級相關匹配與三維重建，得到全場三維位移場，基于位移場進一步計算拉格朗日主應變場，沿旋翼展向（葉根→葉尖）與弦向（前緣→后緣）開展定量時程分析與云圖可視化。

4 實驗序列圖像數據解析

4.1 應變場解析

由千眼狼(Revealer)DIC 軟件RVM處理序列圖像，得到旋翼表面拉格朗日主應變（E1） 時空分布特征。沿旋翼展向，主應變幅值由葉尖向葉根逐步衰減，葉尖區域主應變幅值約 295με，時程曲線呈標準正弦周期特征；向葉根過渡過程中，波形逐漸由單一正弦轉變為大小峰交錯的周期形態，葉根區域幅值降至約 90με，體現根部剛性約束對變形與應力水平的顯著抑制作用。

沿弦向，各截面主應變時程均呈近似正弦周期變化，幅值存在明顯差異：葉片中部區域應變幅值最大，約 299με；前緣區域次之；后緣區域幅值最小，僅約 81με，揭示弦向結構剛度與載荷傳遞的非均勻分布特性。全場應變云圖清晰呈現葉根與槳轂連接區的應變集中特征，為疲勞薄弱部位識別提供直接依據。

圖2 旋翼表面拉格朗日第一主應變（E1）分析，上圖為展向主應變云圖與時程曲線，下圖為弦向主應變云圖與時程曲線

4.2 位移場解析

經千眼狼（Revealer）DIC 軟件RVM三維重建得到旋翼全場三維合位移場，變形規律與應變場高度耦合。沿展向，合位移幅值由葉尖向葉根單調遞減，葉尖合位移幅值約 0.644mm，葉根處降至約 0.457mm，符合懸臂結構典型變形規律，位移時程曲線呈穩定正弦形態，與 3Hz 加載頻率嚴格同步。

沿弦向，位移從前緣至后緣呈連續梯度遞減，前緣合位移幅值約 0.656mm，后緣約 0.486mm，全弦向位移曲線形態一致、相位同步，表明旋翼在試驗載荷下以整體協同變形為主，無明顯局部畸變或不協調變形。位移場結果精準表征了疲勞載荷下旋翼三維變形模態，為動力學建模與剛度校核提供實測邊界條件。

圖3 旋翼表面合位移分析，上圖為展向合位移云圖與時程曲線，下圖為弦向合位移云圖與時程曲線

5 實驗結論

I. 本實驗依托三維DIC系統（含雙目相機與專用DIC分析軟件RVM），成功實現無人機復合材料旋翼在 3Hz 周期性載荷下非接觸、高精度、全場動態應變與位移測量，有效解決傳統測量方法單點局限、視場不足、近距離畸變與光照干擾等技術難題。

II. 旋翼展向主應變由葉尖至葉根顯著衰減，波形由正弦逐步過渡為大小峰交錯周期形態；弦向以中部應變最大、后緣最小，明確了旋翼剛度分布與應變集中關鍵區域。三維合位移沿展向、弦向均呈梯度遞減規律，位移時程與載荷頻率高度同步，變形模態穩定，驗證結構在試驗載荷下的變形協調性。

III. 使用千眼狼(Revealer)DIC系統獲取的全場應變云圖、位移演化曲線及載荷–變形耦合數據，可用于無人機旋翼結構優化、疲勞壽命預測、有限元模型修正，為航空復合材料旋轉部件疲勞性能研究提供可靠實驗方法與數據支撐。

千眼狼(Revealer)DIC系統憑借其出色的成像精度、軟件分析能力和針對復雜旋翼工況的適應性，成為無人機旋翼、風力發電機組葉片、航空航天結構件等領域疲勞測試與結構動力學分析的優選技術方案。