数字图像相关法（3D-DIC）在工程构件力学测试中的应用：从测量方案到测试流程

随着现代工程技术的发展，越来越多的工程构件被广泛应用于各种领域。在构件的服役过程中，外载应力和温度场变化等因素会对其产生影响。当这些影响超出构件可承受范围时，构件会发生缓慢变形，出现裂纹甚至发生断裂。这将导致严重的后果，甚至危及人们的生命安全。

在材料科学及工程应用领域，实现不同材料的服役过程中的应变测量，对于研究其力学行为演变规律、提高尺寸稳定性、优化服役性能及使用寿命等都有着至关重要的影响。为进一步精确测量追踪检测，数字图像相关法应运而生。

一、用户需求

在工程构件的力学测试中，数字图像相关法能够实现对结构物体表面应变和形变场的快速、全场、非接触式测量，可以为结构分析提供准确的边界条件和应变数据。在结构件的设计过程中，数字图像相关法也可以用于验证设计方案的可行性，指导结构优化设计。通过对相关工程构件进行应力大小测量和应力性质判定，可以很好地预防应力变形开裂的发生，为飞机、铁路、桥墩等工程构件的安全可靠运行提供数据支持。

二、工程构件的检测难点

1、材料的异质性：工程构件材料往往存在不同部位和方向上的异质性，这使得对材料进行全面、准确的检测变得困难。

2、材料老化、损伤的影响：随着时间的推移，工程构件材料可能会出现老化、损伤等问题，这些问题会影响材料的性能和力学特性，从而对检测结果产生影响。

三、数字图像相关法（三维DIC）测量方案

1、DIC三维光学应变测量分析系统，基于计算机软件处理采集到的图像，从而得到物体表面或者内部位移场与应变场的变化情况，是一种非接触的、无损的应变测量方法，在复杂载荷、大变形、断裂、材料各异向性的应变测试方面具有很大的优势。如图1

2、DIC 系统优势

a、非接触测量

b、直接测量全场应变、位移、变形、形貌直接测量全场振幅、ODS等振动信息

c、可用于实时监测

d、试验过程可追溯、可评估

e、相关图像数据可反复分析处理，以实现不同研究目的，而无须重!试验，节约经济和时间成本。

四、测试流程

为研究工程构件服役过程中的应变演化行为，使用三维DIC方法对纯钛板材进行模拟测量，以高分辨率和高精度对试样在不同拉伸状态下的应变分布进行实时在线检测，并取得显著成效。

1、纯钛板材拉伸试验

1）本次试验选取了工程构件中纯钛板材试件作为试验对象，借助电液伺服疲劳试验机对试件进行静力拉伸试验，从而获取试件的各项力学性能指标。

2、操作步骤

下面是工程构件中纯钛板材在电液伺服疲劳试验机进行拉伸测试时，使用三维DIC方法的测试流程：

1、准备测试样品：准备纯钛板材试样，并根据试验机的规格确定试样的尺寸和形状。在试样表面选择适当的特征点，并进行标记。

2、进行拉伸试验：将试样夹在电液伺服疲劳试验机的夹具中，通过控制试验机的负载系统对试样进行拉伸。在拉伸的过程中，利用高速摄像机记录试样表面特征点的变形情况，拍摄到试样变形前后的多张照片。

3、图像处理：将摄像机拍摄的照片导入数字图像相关软件中，对试样表面的特征点进行识别和跟踪，获取试样变形前后特征点的坐标和位移信息，并计算出试样的应变和应力分布。

4、数据分析：根据三维DIC方法计算得到的应变和应力数据，进行数据分析，得到试样的应力-应变曲线、疲劳寿命等材料力学性能参数。

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审核编辑 黄宇