第57卷 第3期Vol. 57 No. 32019年3月March 2019农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT & VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2019.03.023基于变形场分析的赛车车身安全加固研究王亚军,刘方,周鸿涛,梁今朝（200093 上海市 上海理工大学 机械工程学院）[摘要]提出一种基于数字图像相关法原理对赛车车身安全加固进行现场测试研究的方法。
采用两台高分辨率工业CCD相机采集车身表面的受力变形情况，对拍摄到的图片进行相关性分析得到车身表面的位移/应变场数据，通过对该变形场数据的分析，得出碳纤维复合材料板车身与车体框架内部配合缺陷易产生应力集中的区域，有针对性地对其进行安全加固。
[关键词] 车身；数字图像相关法；变形场；安全加固[中图分类号] U469.6+96 [文献标识码] B [文章编号] 1673-3142(2019)03-0098-04Study on Security Reinforcement of Racing Body Based on Deformation Field AnalysisWang Yajun, Liu Fang, Zhou Hongtao, Liang Jinzhao( School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China ) [Abstract] In this paper, the security reinforcement of racing body is studied based on digital image correlation method. The stress deformation of racing body is captured by two CCD cameras and used to analyze the correlation between images. Displacement and strain field of racing body surface are obtained and the region of stress concentration is calculated in defective position located between the carbon fiber plate and frames. Based on the experimental results, the racing body is secured with safety.[Key words] racing body; DICM; deformation field; safety reinforcement0 引言汽车工业经过100多年的发展，已成为当今世界上重要的产业之一。
在中国，根据《中国汽车市场研究及发展趋势研究报告》显示：2001~2014年间，我国汽车产销量实现大幅度增长，汽车产销量从236.36万辆和234.44万辆增至2 372.29万辆和2 349.19万辆，成为全球汽车行业的主要增长点。
随着个人汽车拥有量的增多，各种道路安全事故频发，汽车安全越来越受到人们的重视，为了让汽车内驾乘人员的安全得到有力保障，无论国内还是国外都相当重视汽车安全加固的研究，汽车安全技术的研究成为了世界各国的重要课题[1-2]。
车身的安全加固属于被动安全配置里的防撞车身安全加固的一种，即采用强度高、刚度大的安全车身，对车体碰撞受力时易产生较大变形的位置进行重点加固防护，以提高整个车辆的稳定性与安全性。
目前，汽车车身的安全加固主要是在仿真的基础上进行，很难实现对整个车身大范围受力变形场的现场测量，尤其是随着各种成分复杂的新型复合材料的应用，仿真分析时对材料性质的均匀性、连续性假设更是降低了分析结果的贴合实际性，如何得到被分析大型构件现场测试的数据成为目前亟需解决的问题。
数字图像相关法是一种从物体表面随机分布的斑点或人工散斑场中直接提取变形信息的光学测量方法，可以很好地应用到较大区域的全场变形测试中[3]。
1 数字图像相关法为了研究构件在复杂环境下的安全性与可靠性，物体表面变形场的测量已经被实际应用到各项领域中。
数字图像相关法（Digital Image Correlation Method,简称DICM）是一种利用高分辨率相机记录材料表面实际变形过程结合计算机图像处理分析进行全场位移、应变测量的方法，它具有非接触、全场测量、测量结果精度高等优点，特别是随着数字图像分辨率和清晰程度的不断提升，该方法的测量精度也越来越高，可以很好地应用并解决物体表面变形场测量的问题[4]。
在该方法的理论体系中，一般认为材料表面特征点的灰度信息不会随着材料的变形而发生改变，也是基于这个假设，建立测量区域在变形前与变形后的数学关系。
如图1所示，设I（x，y）和I｀（x｀，y｀）分收稿日期: 2018-03-10 修回日期: 2018-03-2099第57卷第3期别表示变形前后的图像，物体变形后M （x ，y ）点移至M ｀（x ｀，y ｀），与M 点临近的点N （x+Δx ，y+Δy ）移至N ｀（x ｀+Δx ｀，y ｀+Δy ｀）。
其中,,x x u x y y y v x y =+=+l l ^^hh (1)式中：u （x ，y ）和v （x ，y ）——子区中心点在x 方向和y 方向上的位移分量。
Δu （x ，y ）和Δv （x ，y ）展开又可表示为,,,,,,u x y x u x y x y u x y yv x y x v x y x y v x y y22222222D D D D D D =+=+^^^^^^h h h h hh(2)其中,,,,,,x x x u x y xu x y x y u x y y y y y v x y x v x y x y v x y y 1122222222D D D D D D +=+++++=++++l l l l ^^^^^^h h h h h h ;<E F (3)由以上分析可知，物体发生变形后，子区中心点将由 M （x ，y ）移至M ｀（x+u ，y+v ），子区内任意点将由ΔN （x+Δx ，y+Δy ）移至,N x u x u x y u y y v x vx y v y 1122222222D D D D ++++++++l b c l m ;E ，子区内任意点的位移都可以通过子区中心点的位移u 和v 及其位移导数xu 22、y u 22、x v 22和y v 22表示，因此，子区中心点的位移及其导数完全可以描述子区的位移和变形。
在相关搜索过程中，首先对变形前后的数字图像进行逐点相关运算，找出使相关系数S 最小的值，所得位移值即为整点像素位移值。
记U 和V 表示已经找到的整像素位移，u 和v 表示在整像素位移基础上的亚像素位移，则,,,I x U y V I x u y v I x y x I u y Iv 2222++=--=--l ^^^h h h (4),,,I x y I x U u y V v I x U y V x I u y I v 2222=++++=++++l l l^^^h h h (5)两式相减，得x I x I u y I yI v I I 222222222+++=-l ll b c l m 5? (6)采用梯度搜索法对变形前后的灰度图像展开计算，求得亚像素位移。
2 现场测试2.1 赛车车身制作整个赛车的车体框架由钢制框架和高强度合金材料以X 形、三角交叉焊接而成，车身由碳纤维布及编织的多层复合材料组成。
该材料具有耐高温、质地轻和强度大的特点，且具有很高的比模量，在降低车身质量的同时可以很好地保护车手的安全，而且铺层碳纤维的排列可以将车身承受的压力进行很好的分散，尤其是赛车鼻翼采用碳纤维材料可以很好地吸收赛车撞击瞬间释放的能量。
采用碳纤维编织的赛车车身部件，如图2所示。
赛车作为竞技类的车辆，对整个车体框架及车身的安全性、稳定性和可靠性都有极高要求。
将碳纤维布及编织的多层复合材料装配到整个车体框架上时，在车头合金框架外部采用质量轻强度大的实木生态板搭建与车头框架配合的空心结构，内部填充发泡材料，外部包裹碳纤维布编织复合材料，用结构环氧树脂胶进行粘结，这种车头位置板-板面接触可以实现很好的配合。
如图3所示，考虑到对整个车身重量的影响，在车体的侧面，采用螺钉和结构胶结合的碳纤维复合材料板与车体X 形、三角交叉的管状支撑结构的接触连接。
碳纤维复合材料板在受到撞击时会产生较大的变形，且靠近车体框架焊接处的位置易产生应力集中，使赛车的安全性大大降低[5-6]。
而且，考虑到碳纤维复合材料板在制备时纤维缠绕铺层及基体的流动性影响，复合材料板往往呈现质量分布不均、各向异性不连续的特点，所以利用仿真分析的方法很难反映真实的赛车车身受力变形情况。
本文提出采用基于数字图像相关法的原理图2 碳纤维编织的赛车车身部件Fig.2 Carbon fiber woven racing car body parts图1 数字图像相关法原理图Fig.1 Schematic diagram of digital image correlation methodO O 01 2�j -1j -1i -1i -1yx ＇x I (x ,y )＇(x ＇,y ＇)012012��(x ,y ) N (x Δx ,y +Δy )M N (+Δ＇,y ＇+Δy ＇)y ＇王亚军 等：基于变形场分析的赛车车身安全加固研究100农业装备与车辆工程 2019年对赛车车身的侧车身进行现场测试并得到其受力变形情况，从而有针对性地对其进行安全加固。
2.2 基于数字图像相关法的车身受力变形测试在进行数字图像相关法实验时，为了提高测量的精度和尽可能地消除随机灰度噪声的影响，需要适当提高采集到的散斑图案的灰度梯度，在材料表面制备明暗对比度高的人工散斑[4]。
在照明光源下车身表面难以形成对比度高的自然散斑，在对车身受力变形过程进行图像采集前需要在其表面进行散斑点制备。
我们采用喷漆法在其表面制作灯光照射下灰度梯度大、明暗对比明显的人工散斑点，即在车身的表面采用哑光漆喷出白色的散斑点，这里我们采用广州某化工公司生产的NO.1007哑光白漆。
如图4所示，为便于图片分析时追踪特征点的移动，和考虑到后续对散斑图案的分析，喷漆法制备的斑点大小所占图片像素点的个数应尽量满足与分析步长倍数的关系。