基于DIC的全场应变测量方案正在向动态、高温、大变形、旋转部件等复杂场景中拓展应用

近年来，随着光学测量技术与人工智能算法的深度融合，数字图像相关法（DIC）作为全场应变与位移测量的重要手段，正逐步突破传统静态与小变形测量的局限，向动态高速、高温环境、大变形乃至旋转部件等复杂工程场景中快速拓展。这一趋势不仅提升了实验力学数据的精度与维度，也为航空航天、能源装备、先进制造等领域提供了前所未有的监测与分析能力。

一、动态与高速场景：从实验室走向工程现场

传统DIC在处理动态过程时，常因图像模糊、计算效率低等问题受到制约。近年来，高速摄像技术与深度学习算法的结合，显著提升了DIC在动态场景中的表现。例如，Yang等人提出的"Deep DIC"方法，通过DisplacementNet与StrainNet两个卷积神经网络，分别独立预测位移场与应变场，在合成数据训练的基础上，实现了对真实拉伸试验中大变形与局部撕裂情况下的鲁棒应变预测，计算时间可降至毫秒级，满足实时监测需求^[1]。

在旋转部件测量方面，Pazur等人利用高速3D-DIC系统对飞机螺旋桨进行部分旋转实验，结果显示位移测量噪声低至±10 μm，验证了DIC在非接触式动态位移测量中的高可靠性^[3]。

二、高温与恶劣环境：激光焊接与热结构监测

在高温环境下，如激光焊接、涡轮叶片运行等场景，传统应变片难以稳定工作。Savitsky等人比较了Lucas-Kanade（LK）与逆合成高斯-牛顿（IC-GN）两种算法在激光焊接过程中的表现，发现尽管焊接区域存在高温、烟尘与高梯度变形，IC-GN算法仍能通过对图像进行高斯预处理，有效提升位移计算精度，应变场计算结果与实测数据具有良好一致性^[2]。

此外，激光散斑作为高温环境下的成像手段，通过配合带通滤波与高动态范围成像，进一步扩展了DIC在近熔池区域的适用性。

三、大变形与材料失效：从弹性到断裂全过程

大变形测量是DIC技术另一重要拓展方向。尤其在聚合物、超拉伸材料测试中，当应变超过100%时，传统DIC常因散斑图案撕裂而失效。Deep DIC通过端到端的应变预测网络，避免了对位移场求导所引入的高频噪声，即便在图案严重退化区域也能输出合理的全场应变^[1]。

在材料断裂研究中，GOM Correlate与Aramis、EIKOSIM的EikoTwin DIC等商用系统已可实现裂纹扩展过程的全场应变跟踪，为损伤演化模型提供了关键实验数据。

四、旋转部件与三维运动：挑战与突破

旋转部件的应变测量长期以来依赖应变片与滑环系统，存在安装复杂、信号干扰强等缺点。Pazur等研究显示，使用1 Mpx高速相机配合3D-DIC，可在螺旋桨部分旋转与冲击过程中实现位移与应变场重建，尽管应变测量噪声（±26–174 μm/m）高于应变片（±2.8–6.9 μm/m），但在多数工程场景中已具备实用价值^[3]。

五、新型DIC技术：EikoTwin DIC 的网格化优势

在DIC技术不断演进的过程中，EikoTwin DIC作为一种基于网格模型的新型DIC方法，展现出在复杂场景中的独特优势。该方法将DIC与有限元网格相结合，能够直接在结构网格上计算应变场，尤其适用于复杂几何、动态加载与多物理场耦合场景。相较于传统像素级DIC，EikoTwin DIC在保持高空间分辨率的同时，提升了数据的工程适用性与仿真对标效率，特别适用于航空航天中叶片、轮盘等旋转部件与热结构的健康监测与数字孪生构建。

结语：从测量工具到系统级解决方案

随着传感器、算法与算力的同步发展，DIC技术正从单一的应变测量工具，发展为支持动态、高温、大变形与旋转部件等多种复杂场景的系统级解决方案。未来，随着像EikoTwin DIC这类网格化方法与深度学习模型的进一步融合，DIC将在数字孪生、智能制造与结构健康管理等领域发挥更加关键的作用。

参考文献：

[1] Yang, R., Li, Y., Zeng, D., & Guo, P. (2022). Deep DIC: Deep learning-based digital image correlation for end-to-end displacement and strain measurement. Journal of Materials Processing Tech., 302, 117474.

[2] Savitsky, V., Schmies, L., Gumenyuk, A., & Rethmeier, M. (2025). Comparative performance of DIC and optical flow algorithms for displacement and strain analysis in laser beam welding. Optics and Lasers in Engineering, 187, 108870.

[3] Pazur, K., Bogusz, P., & Krasoń, W. (2025). Utilizing High-Speed 3D DIC for Displacement and Strain Measurement of Rotating Components. Materials, 18(17), 3974.