一种承压模型破坏过程的图像捕捉试验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及承压试验装备技术领域，尤其是一种承压模型破坏过程的图像捕捉试验装置及其使用方法。

背景技术

水下装备在深海环境中承受巨大的海水压力，服役前在压力舱内开展模型试验进行强度检测和试验验证是保证水下装备设计安全可靠的重要手段。在静强度检测完成后，还通过极限承载试验使模型压溃来发现和验证各种高强度材料结构的破坏形式和特征，进一步进行水下结构失稳理论及仿真技术研究。

现有技术中，主要有两种试验方法进行水下结构失稳理论及仿真技术研究：第一种是在模型表面粘贴位移计、应变片等，记录结构在破坏过程中的力学信息，该方法存在布置复杂、信号穿舱数量有限且无法直观反映全场信息等劣势；第二种是采用光学测量方法，将模型置于设有观察窗的压力舱内，在舱外通过手动触发常规高速相机来记录模型破坏过程进行研究，这种非接触的测量方法具有操作简单、全场测量等特点。

现有的非接触式光学测量方法将高速相机置于压力舱外，对于高速相机虽具有一定的安全保证，但只是适用于设有观察窗的压力舱；另外，对于尺度大、压力高的压力舱，进行大开孔来设计观察窗，不管是设计还是制造都难以保证试验时承压设备的安全性，影响着相关研究的广泛开展。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的承压模型破坏过程的图像捕捉试验装置及其使用方法，从而能够在同一压力空间内由水下高速相机记录承压破坏过程并实现过程再现，经后续定位和识别技术对画面进行分析研究，极大地助力于承压设备的研究推进和安全保障。

本发明所采用的技术方案如下：

一种承压模型破坏过程的图像捕捉试验装置，包括压力舱，压力舱开口端配装有舱盖形成密闭空间；所述密闭空间内布设有试验模型，密闭空间内部朝向试验模型的破坏区域固设有两组以上图像捕捉装置，图像捕捉装置中的水下高速相机在调节机构带动下调整取像视野相对于破坏区域的位置；还包括向着试验模型之外的密闭空间内注、排水的注排水系统，和向着该密闭空间加压的加压系统；所述压力舱的舱壁上安装有测量内部密闭空间压力的压力传感器；所述图像捕捉装置、注排水系统、加压系统均电性连接至控制系统，并由控制系统控制相应动作的启停。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述注排水系统包括安装于压力舱顶部向着密闭空间内注水的注水管路，注水管路上串联有注水阀；所述压力舱顶部还连通安装有溢流管路，溢流管路上串联有安全阀；所述压力舱底面连通安装有排水管路，排水管路上串联有排水阀；所述加压系统连通安装于排水管路上方的压力舱壁面上。

所述加压系统包括有连通安装于压力舱壁面上的加压管路，加压管路上串联安装有加压阀；所述加压管路与高压泵连通，通过高压泵的动力经加压管路向压力舱内注入高压水；位于加压阀后方的加压管路、与位于排水阀后方的排水管路之间共同安装有泄压管路，泄压管路上串联安装有泄压阀。

所述压力舱水平放置且水平方向的一端设置为开口端，试验模型和图像捕捉装置共同经托架组件由开口端向内推送至压力舱内底面上；所述舱盖的端面边缘与开口端边缘贴合，并通过外部周向的卡箍固定。

所述托架组件的结构为：包括固定布设于压力舱内底面上的固定轨道，所述试验模型和图像捕捉装置共同安装于支承托架上，支承托架底面间隔安装有滚轮，滚轮与固定轨道相配契合；

所述舱盖外底面安装有与地面贴合移动的轮组。

单组图像捕捉装置的结构为：包括底座，底座顶面中部转动安装有旋转座，旋转座由水平调节机构带动相对于底座在水平面内转动；所述旋转座顶面左右间隔安装有侧板，两块侧板之间共同转动安装有V型座，V型座由俯仰调节机构带动相对于旋转座前后摆动，俯仰调节机构和水平调节机构共同构成水下高速相机取像视野调整的调节机构；所述V型座朝上的开口端配合大抱箍紧固安装有水下高速相机。

所述水下高速相机上方的大抱箍顶面安装有电子舱，电子舱内布设有水下高速相机、俯仰调节机构、水平调节机构的供电、信号采集和控制装置，电子舱通过总线缆与外部的控制系统电性连接；所述V型座朝上的两端顶面上对称安装有照明组件，照明组件位于水下高速相机的斜上方。

所述水平调节机构的结构为：包括固定安装于底座顶面中部的支座，支座顶面固定安装有固定齿形件，固定齿形件外啮合配装有爬行齿轮；从上至下穿过固定齿形件后与支座转动安装有主转轴，位于固定齿形件上方的主主转轴顶部固定安装有旋转座；还包括由水平调节电机带动转动的竖直轴，竖直轴穿过旋转座并通过轴承转动连接，竖直轴端部与爬行齿轮相对固定并共同转动；

所述俯仰调节机构的结构为：包括左右贯穿、转动安装于相应侧板上的摆动轴和从轴，摆动轴和从轴同轴设置并分别与V型座相应的顶端部固定；所述摆动轴上固定套装有从动齿形件，从动齿形件外啮合配装有主动齿轮，主动齿轮由俯仰调节电机带动转动；所述V型座底面与旋转座顶面之间还安装有俯仰导向组件。

所述底座为弹性减振机构，其具体结构为：包括上下间隔布置的上板和下板，上板和下板之间共同安装支承有减振组件。

一种所述的承压模型破坏过程的图像捕捉试验装置的使用方法，包括如下步骤：

在试验模型外表面上预设的破坏区域内喷涂散斑作为标记；

将试验模型和图像捕捉装置在压力舱之外按照预定位置固定安装于托架组件上，然后随着托架组件推入压力舱内部并相对固定；

将舱盖通过卡箍固定安装于压力舱开口端，形成密闭空间；

经注排水系统向密闭空间内注水，由控制系统控制图像捕捉装置中的调节机构，将水下高速相机的取像视野处于试验模型上破坏区域的中心处；

经控制系统开启水下高速相机的自动触发工作模式，由压力传感器检测的压力值触发；

经加压系统向密闭空间内加注高压水，试验模型外壁周向受到压力，由压力传感器持续监测反馈当前水压值；

当压力传感器监测的压力值出现下降时，瞬间自动触发水下高速相机工作，由水下高速相机记录试验模型受压破坏过程的图像并反馈存储至控制系统，完成承压过程中的图像捕捉。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过将水下高速相机与试验模型放置于同一密闭压力舱内部，由水下高速相机记录承压破坏过程并实现过程再现，能够经定位和识别技术对画面进行分析研究，极大地助力于承压设备的研究推进和安全保障；

本发明中，水下高速相机的取像视野可以由调节机构进行远程微调，并根据压力传感器的压力变化自动触发工作，从而实现了承压中的压溃过程记录；

本发明试验装置的使用对测量环境无特别要求，其中测量视场可远程调节、自动触发，并能够实现全场测量；

本发明中图像捕捉装置的底座设置为减震机构，使水下高速相机具备一定的抗冲击性，确保模型破坏瞬间水下高速相机获得清晰的图像，可靠助力于后续的分析研究工作。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明图像捕捉装置的结构示意图。

图3为本发明水平调节机构的结构示意图。

图4为本发明俯仰调节机构的结构示意图。

图5为本发明俯仰导向组件的结构示意图。

图6为本发明水下高速相机的取像视野调整示意图。

其中：1、压力舱；2、舱盖；3、托架组件；4、试验模型；567、图像捕捉装置；5、水下高速相机；6、水平调节机构；7、俯仰调节机构；

21、卡箍；22、轮组；

31、固定轨道；32、支承托架；33、滚轮；

41、破坏区域；42、散斑；

50、衔接座；51、底座；52、支座；53、旋转座；54、侧板；55、V型座；56、大抱箍；57、照明组件；58、电子舱；500、取像视野；

511、上板；512、减振组件；513、下板；

61、水平调节电机；62、爬行齿轮；63、固定齿形件；64、主转轴；65、转动导向组件；66、竖直轴；

71、俯仰调节电机；72、水平轴；73、主动齿轮；74、从动齿形件；75、摆动轴；76、从轴；77、滚珠座；78、导向滚珠；79、导向座；

81、加压管路；82、加压阀；83、高压泵；

91、排水阀；92、泄压阀；93、排水管路；94、注水管路；95、溢流管路；96、压力传感器；97、控制系统。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的一种承压模型破坏过程的图像捕捉试验装置，包括压力舱1，压力舱1开口端配装有舱盖2形成密闭空间；密闭空间内布设有试验模型4，密闭空间内部朝向试验模型4的破坏区域41固设有两组以上图像捕捉装置567，图像捕捉装置567中的水下高速相机5在调节机构带动下调整取像视野500相对于破坏区域41的位置；还包括向着试验模型4之外的密闭空间内注、排水的注排水系统，和向着该密闭空间加压的加压系统；压力舱1的舱壁上安装有测量内部密闭空间压力的压力传感器96；图像捕捉装置567、注排水系统、加压系统均电性连接至控制系统97，并由控制系统97控制相应动作的启停。

本实施例中，通过将水下高速相机5与试验模型4放置于同一密闭压力舱1内部，由水下高速相机5记录承压破坏过程并实现过程再现，能够经定位和识别技术对画面进行分析研究；水下高速相机5的取像视野500可以由调节机构进行远程微调，并根据压力传感器96的压力变化自动触发工作，从而实现了承压中的压溃过程记录。

注排水系统包括安装于压力舱1顶部向着密闭空间内注水的注水管路94，注水管路94上串联有注水阀；压力舱1顶部还连通安装有溢流管路95，溢流管路95上串联有安全阀；压力舱1底面连通安装有排水管路93，排水管路93上串联有排水阀91；加压系统连通安装于排水管路93上方的压力舱1壁面上。

加压系统包括有连通安装于压力舱1壁面上的加压管路81，加压管路81上串联安装有加压阀82；加压管路81与高压泵83连通，通过高压泵83的动力经加压管路81向压力舱1内注入高压水；位于加压阀82后方的加压管路81、与位于排水阀91后方的排水管路93之间共同安装有泄压管路，泄压管路上串联安装有泄压阀92。

本实施例中，通过注水阀的开闭实现压力舱1内部的注水控制，通过排水阀91的开闭实现压力舱1内部的排水控制，通过加压阀82、泄压阀92的开闭实现压力舱1内部的加卸压控制；安全阀的设置用于防止压力舱1内部超压。

压力舱1水平放置且水平方向的一端设置为开口端，试验模型4和图像捕捉装置567共同经托架组件3由开口端向内推送至压力舱1内底面上；舱盖2的端面边缘与开口端边缘贴合，并通过外部周向的卡箍21固定。

托架组件3的结构为：包括固定布设于压力舱1内底面上的固定轨道31，试验模型4和图像捕捉装置567共同安装于支承托架32上，支承托架32底面间隔安装有滚轮33，滚轮33与固定轨道31相配契合；

托架组件3的设置，便于试验模型4、图像捕捉装置567在压力舱1内的安装和移动操作，方便可靠；并且能够通过对支承托架32底面滚轮33的前进锁止实现固定，使用方便。

舱盖2外底面安装有与地面贴合移动的轮组22，便于舱盖2的移动和安装使用。

本实施例中，在将试验模型4和图像捕捉装置567安装于支承托架32上时，可以进行相对位置的粗调，配合后续远程由调节机构进行的微调，来可靠保证水下高速相机5的取像视野500与试验模型4的破坏区域41相对位置关系。

如图2所示，单组图像捕捉装置567的结构为：包括底座51，底座51顶面中部转动安装有旋转座53，旋转座53由水平调节机构6带动相对于底座51在水平面内转动；旋转座53顶面左右间隔安装有侧板54，两块侧板54之间共同转动安装有V型座55，V型座55由俯仰调节机构7带动相对于旋转座53前后摆动，俯仰调节机构7和水平调节机构6共同构成水下高速相机5取像视野500调整的调节机构；V型座55朝上的开口端配合大抱箍56紧固安装有水下高速相机5。

本实施例中，大抱箍56沿着水下高速相机5的轴向设置有两组或以上，以保证水下高速相机5的安装稳固性。

水下高速相机5上方的大抱箍56顶面安装有电子舱58，电子舱58内布设有水下高速相机5、俯仰调节机构7、水平调节机构6的供电、信号采集和控制装置，电子舱58通过总线缆与外部的控制系统97电性连接；V型座55朝上的两端顶面上对称安装有照明组件57，照明组件57位于水下高速相机5的斜上方。

本实施例中，水下高速相机5、电子舱58、照明组件57均设置有承压壳体，用于保证水下承压状态下使用的可靠性。

本实施例中，电子舱58内部还可以设置连接各个承压壳体的漏水传感器，以及用于水下高速相机5的调焦模组等，用于进一步保证水下试验的顺畅可靠性；图像捕捉装置567中涉及的供电、信号采集以及控制线路经电子舱58统一后一齐穿舱连接至外部的控制系统97，通过线路的集中处理排布，助力于保障线路连接和使用的可靠性。

如图3所示，水平调节机构6的结构为：包括固定安装于底座51顶面中部的支座52，支座52顶面固定安装有固定齿形件63，固定齿形件63外啮合配装有爬行齿轮62；从上至下穿过固定齿形件63后与支座52转动安装有主转轴64，位于固定齿形件63上方的主主转轴64顶部固定安装有旋转座53；还包括由水平调节电机61带动转动的竖直轴66，竖直轴66穿过旋转座53并通过轴承转动连接，竖直轴66端部与爬行齿轮62相对固定并共同转动；

水平调节电机61工作，经蜗轮蜗杆传动带动竖直轴66转动，爬行齿轮62随着竖直轴66自转动，爬行齿轮62的自转动使得自身相对于啮合配装的固定齿形件63转动，从而竖直轴66随着爬行齿轮62相对于固定齿形件63公转动，旋转座53随之转动，使得其上经侧板54、V型座55安装的水下高速相机5随之在水平面内转动。

固定齿形件63顶面开设有弧形槽，旋转座53底面向下延伸有插销，插销向下伸至弧形槽内，随着旋转座53的转动，插销沿着弧形槽移动，构成转动导向组件65。

如图4所示，俯仰调节机构7的结构为：包括左右贯穿、转动安装于相应侧板54上的摆动轴75和从轴76，摆动轴75和从轴76同轴设置并分别与V型座55相应的顶端部固定；摆动轴75上固定套装有从动齿形件74，从动齿形件74外啮合配装有主动齿轮73，主动齿轮73由俯仰调节电机71带动转动；V型座55底面与旋转座53顶面之间还安装有俯仰导向组件。

俯仰调节电机71经蜗轮蜗杆传动带动水平轴72转动，主动齿轮73随着水平轴72转动，带动与主动齿轮73相啮合的从动齿形件74转动，从而带动V型座55、水下高速相机5随之以摆动轴75、从轴76的轴向摆动，实现俯仰调节。

本实施例中，可以在两侧侧板54外部配装承压壁面构成空间，水平调节电机61、俯仰调节电机71和相应的涡轮蜗杆传动设置于相应的空间中，由竖直轴66、水平轴72穿出空间将动力传递，从而有效保证装置在水下使用的稳定和可靠性。

本实施例中，水下高速相机5的水平和俯仰转动调节均为微调，其中固定齿形件63和从动齿形件74均可以是局部弧面上设置有齿形的零件，在微调时其转动角度均较小。

如图5所示，俯仰导向组件的结构为：包括固定安装于旋转座53顶面上的导向座79，导向座79顶面设置有内凹弧形结构，V型座55底面安装有滚珠座77，滚珠座77底面设置为外凸弧形结构，外凸弧形结构和内凹弧形结构仿形一致并在间隔之间沿着弧形面设置有导向滚珠78，在V型座55俯仰摆动过程中，导向座79和滚珠座77之间通过导向滚珠78实现滚动导向，助力于保障俯仰动作的稳定可靠。

底座51为弹性减振机构，其具体结构为：包括上下间隔布置的上板511和下板513，上板511和下板513之间共同安装支承有减振组件512。

本实施例中图像捕捉装置567的底座51设置为减震机构，使水下高速相机5具备一定的抗冲击性，确保模型破坏瞬间水下高速相机获得清晰的图像，可靠助力于后续的分析研究工作。

本实施例中，底座51底面可以通过衔接座50安装于压力舱1或者是托架组件3的支承托架32上。

如图6所示，为水下高速相机5取像视野500的调节示意图，由水平调节机构6带动的水平面内的转动，调节取像视野500在水平方向上相对于破坏区域41的调整；由俯仰调节机构7带动的前后俯仰摆动，调节取像视野500在竖直方向上相对于破坏区域41的调整，从而在竖直方向上调整取像视野500相对于破坏区域41的位置；

本实施例中，由水平调节机构6和俯仰调节机构7带动的取像视野500在水平和竖直方向上的调整过程中，可能会因调整距离的增大而使得取像视野500产生形变，可以经控制系统97经电子舱58对水下高速相机5进行焦距、形变的同步调节，来保证水下高速相机5取像的清晰度。

本实施例中，图像捕捉装置567的数量设置为两组，通过取像视野500的调整，两组水下高速相机5共同对试验模型4的破坏区域41进行取像，后续经双目目标定位技术和识别技术，来对拍摄区域内的位移和应等力学信息进行分析，进行水下结构失稳理论及仿真技术研究；

图像捕捉装置567的数量可以大于两组，可以进行两两结合形成多组，并分别进行双目目标定位技术测算，或者是作为备用设施，以助力于保证试验的顺利和顺畅取像，保障后续的分析研究工作。

本实施例中，可以在控制系统97处专门设置用于水下高速相机5图像存储的存储介质和视频监控主机，来助力于保证视频存储、回放和编辑、分析使用的便利性和可靠性。

本实施例的承压模型破坏过程的图像捕捉试验装置的使用方法，包括如下步骤：

在试验模型4外表面上预设的破坏区域41内喷涂散斑42作为标记，散斑42的标记便于后续的图像分析处理；

将试验模型4和图像捕捉装置567在压力舱1之外按照预定位置固定安装于托架组件3上，然后随着托架组件3推入压力舱1内部并相对固定；

将舱盖2通过卡箍21固定安装于压力舱1开口端，形成密闭空间；

经注排水系统向密闭空间内注水，由控制系统97控制图像捕捉装置567中的调节机构，将水下高速相机5的取像视野500处于试验模型4上破坏区域41的中心处；

经控制系统97开启水下高速相机5的自动触发工作模式，由压力传感器96检测的压力值触发；

经加压系统向密闭空间内加注高压水，试验模型4外壁周向受到压力，由压力传感器96持续监测反馈当前水压值；

当压力传感器96监测的压力值出现下降时，瞬间自动触发水下高速相机5工作，由水下高速相机5记录试验模型4受压破坏过程的图像并反馈存储至控制系统97，完成承压过程中的图像捕捉。

本实施例中试验装置的使用对测量环境无特别要求，其中测量视场可远程调节、自动触发，并能够实现全场测量。

本发明实现了在同一压力空间内由水下高速相机记录承压破坏过程并实现过程再现，经后续定位和识别技术对画面进行分析研究，极大地助力于承压设备的研究推进和安全保障，实用性好。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。