成形工艺与DIC：大变形测量技术

成形工艺（如压接）的实验验证需要对局部变形场进行精确表征，而这可以通过数字图像相关技术（DIC）来实现。近期，我们在一个具有严苛几何约束条件的工业零件上开展了测量研究，分析区域位于厚度仅约2毫米的截面上。

除了感兴趣区域尺寸较小之外，试验台的庞大体积以及工装的存在也阻碍了加载过程中中间图像的采集。因此，分析被限制在两个离散状态的比较上：加载前的初始状态和压接后的最终状态。

图1 | 压接试验台全景

图2 | 零件网格上的感兴趣区域

仪器配置采用了两套独立的立体视觉系统，分别针对房间内具有特定光学和几何约束的不同区域。

图3 | DIC系统配置示意图

切片观测：宏观DIC与虚拟预研究

第一个感兴趣区域位于零件边缘，表面厚度不超过2毫米。为了在此尺度下捕捉变形梯度，标准镜头无法提供足够的空间分辨率。因此，相机配备了近摄接圈，从而缩短最小对焦距离以实现宏观放大倍率。

该系统的集成受到试验台庞大体积的阻碍，框架严重限制了可用的观察角度。相机的定位通过EikoTwin Virtual进行的虚拟布局预研究来预先确定。这一仿真使得即使在现场安装之前也能验证唯一可行的光学窗口。

图4 | EikoTwin Virtual相机位置估算

图5 | 相机定位结果

图6 | 现场安装配置

图7 | 参考状态图像

正面观测：遮挡约束

第二对相机瞄准房间侧面。在该区域，连续的时间追踪被证明是不可能的：机器的运动学特性意味着压接工具在成形操作期间完全遮挡了DIC的视场。

因此，采集策略被限制为捕获两个静态状态：加载前拍摄的参考图像，以及移除工具并打开试验台后拍摄的最终图像。

图8 | 正面观测的遮挡约束

图9 | 参考图像（标注）

零件正面的两阶段采集（初始状态/最终状态）为数字图像相关（DIC）分析提出了一个根本性问题。传统上，DIC算法需要一系列中间图像来逐步追踪纹理的运动。

在这里，零件从平坦几何形状到90°弯曲的突然转变导致了显著的位移和散斑的局部退化（出现裂纹），这阻止了任何标准收敛。

通过有限元仿真进行初始化

为了规避这种时间连续性的断裂，我们实施了一种基于数值仿真的初始化方法。EikoTwin DIC软件使用仿真网格作为测量介质，允许导入有限元分析（FEA）预测的理论位移场。

模型收敛与校正

这种方法使得将大位移搜索问题转化为局部优化问题成为可能。DIC的作用不再是寻找整个变形路径，而是校正数值预测与观测实际之间的偏差。

该方法确保了尽管在压接阶段完全没有图像且表面纹理退化的情况下计算仍能收敛。因此，它提供了对试验-计算比较的直接访问，精确量化了仿真在何处偏离压接后零件的实际几何形状。

图10 | 边缘变形测量结果 - 显示仿真预测与实际测量的对比

一旦通过相机标定将网格重新投影到获取的图像上，结果分析就能够实现有限元模型几何形状与零件物理实际之间的直接比较。

使用仿真网格作为测量辅助手段在此提供了一个决定性优势：拓扑差异的即时可视化。

将变形网格叠加在测试图像上揭示了显著的偏差。虽然仿真模型基于完美的理论CAD几何形状，但实际零件表现出制造过程固有的变化。

图11 | 网格投影到图像上 - 清晰显示理论模型与实际零件之间的几何偏差

分析表明，建模切片的曲率与压接后获得的实际曲率并不完全匹配。

对分析的影响

这种几何偏差在弯曲区域尤为明显，与数值预测相比，曲率处边缘的厚度也存在差异。

因此，该方法能够追溯误差来源，以便改进未来的仿真模型。

图12 | 局部位移场分布 - 量化显示变形分布特征