高速数字图像相关DIC技术在爆炸力学中的应用

第十五届全国爆炸力学学术会议近日于绍兴举行，会议汇聚来自全国爆炸力学与冲击领域专家学者2000余人，聚焦“爆炸与冲击动力学工程应用”、“材料动态力学行为与损伤断裂”、“工程爆破与毁伤评估”、“含能材料与水中爆炸”、“结构动态响应与安全防护”等关键议题进行学术交流。

新拓三维高速数字图像相关DIC技术，具有高速、高精度、高可靠性以及强大的环境适应能力。会议期间，新拓三维展示了高速数字图像相关DIC测量解决方案，并向与会专家学者展示了其在爆炸力学领域的应用案例。

高速数字图像相关 (HS-DIC)测量方案

超高速摄像机系列是爆炸力学研究中的一个亮点。其百万帧每秒（fps）级超高帧率、纳秒级曝光精度及超高分辨率，可以为研究者清晰捕捉爆炸冲击波传播、材料动态裂纹萌生与扩展、结构动态变形与失效等微秒甚至纳秒级的瞬态过程，提供了前所未有的可视化手段，极大推动了对复杂瞬态物理现象的理解。

新拓三维XTDIC-SPARK三维高速测量系统，可实现超过100万帧的超高速测量，跟踪精度高达0.01px，可逐帧同步记录外部的加载或位移数据信息，实现超高速试验的非接触全场动态应变测量。其测试过程不会对目标的结构特性和运动特性带来任何干扰，测量结果可视、客观、可信

高速DIC技术的典型应用包括（但不限于）：碰撞测试、爆炸试验、冲击试验、跌落试验、振动分析等。接下来分享几个高速DIC技术在高速碰撞变形测试中的应用。

1、穿甲弹高速冲击动态变形分析

通过实验方法揭示穿甲弹在高速冲击过程中（如接触目标、穿透、断裂等阶段）的动态变形行为，这对于理解弹道极限、评估弹道性能至关重要。通过高速相机配合数字图像相关技术（DIC），可完整记录穿甲弹在碰撞冲击下的瞬态变形行为。

试验挑战：

· 高速冲击下，散斑易脱落；

· 实验装置（如发射装置、靶板位置）与高速相机、光源难以精确同步触发

· 图像噪声、光照变化、镜头畸变等影响测量精度；

解决方案：

· 不喷涂底漆，使用特殊散斑技术制备散斑；

· 使用高速数据采集卡，并确保高速相机、光源、传感器等精确同步。

· XTDIC-SPARK系统可全分辨率图像尺寸标定，目标分辨率和速度下测试，采用鲁棒的相关算法抑制噪声并保证测量精度。

试验结果：

以下是关于高速DIC穿甲弹瞬态变形分析及位移曲线：

2、霍普金森杆高速冲击下的变形监测

霍普金森杆试验，主要用于测定材料在高应变率下的杨氏模量、泊松比、应力波传播速度以及应力-应变关系。这是理解材料在动态载荷（如碰撞、爆炸、冲击）下行为的基础。对于高速载荷与瞬态响应，高速DIC的非接触优势正好发挥。

试验挑战：

· 极高的冲击速度高速冲击下，极短的时间窗口；

· 复杂且剧烈的变形，对DIC鲁棒性和亚像素精度要求高；

· 高速冲击下，斑点图案需在相机视野内清晰可见且易于识别；

解决方案：

· 选用高性能高速相机，高帧率、高分辨率、宽动态范围、出色成像能力；

· 鲁棒的DIC数字图像相关算法、应变率敏感的变形计算方法、噪声抑制技术。

· 对试件表面进行特殊制斑，确保冲击瞬态的纹理清晰可见；

试验结果：

XTDIC-SPARK三维高速测量系统成功获取了材料在高速冲击载荷下高时空分辨率的位移场数据，揭示了板材变形的空间分布和演化过程。

3、高速压缩瞬态裂纹演化分析

在工程结构中，材料的裂纹损伤扩展是影响结构安全性和可靠性的关键问题。本次实验采用高速压缩变形测试，通过高速相机配合数字图像相关技术（DIC），完整记录材料在压缩冲击下的瞬态变形与裂纹扩展演化行为。

试验挑战：

·试验涉及高速加载，方形试样的固定成为挑战；

·观测变形成形速度

·冲击瞬态的裂纹演化分析

解决方案：

·方形试件多方位螺丝固定，确保冲击时不挪动走位；

·选用高性能高速相机，高速数据采集卡

·高速图像序列和DIC位移/应变图，分析裂纹动态过程

方形试件固定方式

试验结果：

位移场&应变场计算云图 & 裂缝宽度变化图