利用数字图像相关技术验证仿真模型：鸟击测试的创新应用

引言

在航空航天和汽车工业中，结构对各种高速威胁的抵抗能力是可认证性的保证。在航空航天领域，鸟击认证是设备和系统安全与认证的重大问题。

测试具有双重目的：评估结构完整性和验证数值模型。仿真越来越多地支持产品认证，同时减少昂贵的物理测试，尽管这需要使用可靠的实验数据进行严格的模型验证。

数字图像相关（DIC）正在确立其作为提供全场数据（位移、应变）的关键方法的地位，这些数据可直接用于鸟击仿真的标定或验证。

与点式传感器不同，DIC能够捕获全面的空间和时间映射，这对于识别测试与仿真之间的差异以及提高模型预测能力至关重要。

EikoSim协助圣戈班航空（Saint-Gobain Aerospace）使用EikoTwin DIC软件分析受鸟击的平板PMMA玻璃的行为。

研究目标包括：

在不同冲击场景下实验表征板材（单层和层压）的动态响应
为有限元模型验证提供参考数据，特别是位移场、应变和裂纹扩展

该研究展示了DIC如何与标定和后处理方法相结合，减少测试与仿真之间的差异，通过虚拟传感器和检测局部现象的相关残差图提高对鸟击仿真的信心。

测试台和实验方案描述

设计了专门的测试台来重现鸟击条件，以高速将软冲击物投射到PMMA板上，并优化仪器配置用于实验分析和数值验证。

实验设置

DIC测量的兴趣区域是一个1000 x 1000 mm²的中心区域，包括板材及其固定系统（"金属固定器"）。

采集系统组件：

2台高速摄像机（Phantom VEO1310，10 kHz），立体配置（20°角，1,090 mm相机间距，2,970 mm测量距离）
镜头：50 mm（宽区域）和100 mm（局部区域）焦距
散斑：通过模板的随机图案（3-5 mm特征尺寸），针对相机分辨率优化
照明：高功率LED面板，确保足够的对比度并最大限度减少快速运动产生的伪影

验证目标依赖于几个关键方面。将实验DIC数据直接投影到有限元网格上，可以进行节点对节点分析，识别固定器周围或裂纹扩展期间的仿真偏差。

局部测量区域允许详细的裂纹观察，而宽区域提供整体结构响应视图。严格的ChArUco测试图标定确定了相机的内在和外在参数，同时校正了光学畸变。相机和采集与冲击触发器的同步确保了实验图像和仿真之间的时间对应，这对于稳健的数值模型验证至关重要。

结果与分析

通过DIC仪器化的鸟击测试提供了可直接应用于有限元模型验证的完整位移和应变场。关键结果详述如下。

位移场分析

位移场分析提供了10 ms时间段内的详细时间可视化。法向位移图显示，在相同速度下的两次连续测试之间几乎没有分散，峰值振幅出现在冲击后2至4 ms之间。

实验-仿真场对比显示出良好的整体相关性，确认了模型的相关性。然而，在固定器边缘附近识别出局部偏差，这可以由测试和仿真之间不同的冲击点以及关于非线性行为定律的某些建模假设来解释。

虚拟传感器数据

虚拟传感器数据分析可以追踪战略点的位移随时间的演变，特别是在板材中心和冲击区域。

获得的曲线揭示了典型的动态响应，以初始位移峰值为标志，随后是逐渐衰减的振荡。

这些实验结果为调整数值模型参数（如材料属性或阻尼系数）提供了宝贵的参考数据，提高了仿真精度。

此外，对主应变（如E11和E22）的研究表明，它们在冲击区域达到显著值。这些观察证实了在仿真中使用非线性行为定律的必要性，以准确表示材料在极端应力下的响应。

应变场分析

应变场分析突出显示了主应变E11和E22的详细分布图。结果表明，最大应变集中在冲击点周围，层压板具有特别明显的不对称性。

相关残差研究揭示了以同心圆组织的峰值，这是冲击波传播的特征特征。这些高残差区域对应于不连续性。

这种方法能够对损伤机制进行详细验证，并细化关键现象的预测。

差异分析

对实验结果和仿真之间差异的分析突出了几个解释因素。在这种类型的模型中，软冲击物与板材之间的接触建模起着关键作用：在这种情况下，仔细观察发现，鸟的位置应该在板上向下移动。

此外，PMMA本身的非线性行为也导致了这些差异。这些因素突出了细化模型以更好地表示实际应力条件的重要性。

DIC贡献总结

数字图像相关（DIC）对数字鸟击模型验证的贡献在几个方面是决定性的。首先，DIC能够确认与边界条件相关的假设的相关性，特别是关于固定器对板材的固定。

如果实验结果差异需要，模型调整成为可能，确保更准确的实际条件表示。此外，DIC擅长检测非线性现象，如裂纹出现或分层。这种捕获复杂现象的能力增强了仿真的稳健性，并实现了更全面的模型验证。

讨论

本研究展示了数字图像相关（DIC）对"鸟击"等动态测试中数值模型验证的重大贡献。

与点式传感器不同，它提供完整的位移和应变场，可以精确识别仿真偏离现实的区域，例如固定器周围或裂纹扩展期间。

通过在战略点提取时间曲线，虚拟传感器为标定模型参数（如弹性模量、阻尼或失效准则）提供了无与伦比的精度。

挑战确实存在：测量质量在很大程度上取决于实验条件，包括标定、照明和散斑应用。不充分的准备会引入偏差，特别是在高应变率下。鸟击冲击产生显著的应变梯度，即使使用精细网格也难以捕获，需要DIC-仿真组合进行稳健验证。

尽管位移测量不确定性仍然很低，位移约为20 µm，但在解释测试和仿真之间的差异时必须考虑它们，特别是对于局部应变。

与替代测量方法相比，DIC提供了全面的现象视图，而应变片仅提供特定数据点，通常不足以验证复杂的3D模型。加速度计仅测量加速度，而不是与标定行为定律直接相关的应变数据。

未来，将DIC数据集成到优化算法中可以实现模型参数的自动标定，例如PMMA行为定律或接触条件。结合DIC与先进数值方法（如用于冲击物的SPH和用于板材的有限元）的混合方法，将能够更好地重现复杂现象，如冲击波传播或渐进损伤，这些现象通常发生在鸟击期间。