动态DIC技术如何破解极端环境下的结构应变监测难题？
发布时间：
2026-02-05 11:25
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技术背景与挑战
在航空航天、核能工程、深海探测等前沿领域，结构部件常年暴露于极端温度、高应变率、强辐射等严苛环境中。传统的应变片测量方法因接触式特性，在这些场景下往往面临传感器损坏、信号失真、测量范围受限等难题。
数字图像相关（Digital Image Correlation, DIC）技术作为一种全场非接触式光学测量方法，通过追踪变形过程中物体表面散斑图案的变化，实现位移和应变场的高精度重构[4]。近年来，动态DIC技术的快速发展正在重新定义极端环境下的结构监测范式。
技术突破与前沿进展
超高温环境测量
2024年，北京航空航天大学研究团队利用自主研发的紫外-数字图像（UV-DIC）系统，首次实现了3000°C极端环境下的超高温应变场测量[10]。这一突破性进展将DIC技术的应用边界推向了新的高度，为航空发动机热端部件、航天器再入防热材料等领域的结构验证提供了关键技术支撑。
高速动态测量
在高应变率动态测试领域，最新研究表明DIC技术与Kolsky杆（分离式霍普金森压杆）的集成已实现显著突破[8]。根据2025年发表的研究，内部DIC技术在SHPB实验中的测量噪声仅为约0.2%应变，展现出卓越的精度。在板冲击实验中，误差和测量噪声控制在1%应变以内[3]。
结构健康监测算法革新
在结构健康监测领域，基于DIC的智能算法正在改变传统监测模式。法国EDF与巴黎-萨克雷大学联合开发的新型DIC算法，通过训练确定缩减运动学基础和统计幅度分布，将每模态DIC测量简化为图像与提取器之间的标量积运算，实现了快速、非迭代的处理流程[2]。这种方法已在疲劳裂纹扩展监测中得到验证，为长期结构监测提供了高效解决方案。
工程应用与解决方案
航空航天领域
DIC技术在航空航天结构健康监测中展现出独特优势。作为非接触式方法，无需布线且不会对旋转结构产生质量干扰，已广泛应用于旋翼桨叶动力学监测。在飞机刹车过程复杂变形测量、盐雾环境下铝合金板疲劳特性研究等方面，DIC与原位腐蚀疲劳测试的结合实现了裂纹扩展过程的实时监控。
在工业实践中，专业的DIC分析软件平台如EikoTwin DIC能够将实验测量数据与有限元分析（FEA）工作流程无缝集成，支持工程师从物理测试中提取高分辨率测量数据进行模型验证和优化。配合EikoTwin Virtual软件进行测试前的规格设计和模拟规划，可以优化DIC测试配置，确保测试方案与FEA需求精准匹配。
海洋能源装备
在潮汐能涡轮叶片结构测试中，DIC系统与激光扫描测振仪、光纤布拉格光栅传感器、红外热成像等先进测量工具的协同应用，正在重塑海洋可再生能源装备的验证测试范式[5]。研究表明，这种多技术融合方案能够显著缩短测试周期，同时提供更全面的结构响应数据。
数字孪生技术融合
将DIC实验数据与数字孪生技术相结合已成为结构验证的新趋势。通过EikoTwin Digital Twin等解决方案，可实现材料参数和FEA模型的自动校正，构建反映实际材料行为的集成数字孪生体。这种"反馈闭环"能力使得预测与实际行为之间的差异得以量化和修正，显著提升了仿真模型的可信度。
技术发展趋势与市场前景
根据最新市场研究数据，2024年全球数字图像相关系统市场规模约为1.6亿美元，预计到2031年将达到2.22亿美元，年复合增长率约为4.9%[11]。其中，3D DIC系统市场增速更快，预计复合增长率达5.5%[12]。
未来发展趋势聚焦于智能化、高速化、多场融合与在线化[7]。DIC技术正向嵌入式、便携化和工业现场在线监测方向演进，推动其在智能制造与结构健康评估中的深度集成应用[6]。深度学习与DIC的结合（Deep DIC）已展现出端到端位移和应变测量的潜力，为复杂工况下的自动化分析开辟了新路径。
参考文献
[1] Savitsky V, Schmies L, Gumenyuk A, et al. Comparative performance of DIC and optical flow algorithms for displacement and strain analysis in laser beam welding[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2025, 187: 108870.
[2] Curt J, Capaldo M, Hild F, et al. An algorithm for Structural Health Monitoring by Digital Image Correlation: Proof of concept and case study[J]. Optics and Lasers in Engineering, 2022, 151: 106842.
[3] Ellis C L, Hazell P. Visual Methods to Assess Strain Fields in Armour Materials Subjected to Dynamic Deformation—A Review[J]. Applied Sciences, 2020, 10(8): 2644.
[4] Gu G, Dai L, Chen L. DIC-Aided Mechanoluminescent Film Sensor for Quantitative Measurement of Full-Field Strain[J]. Sensors, 2025, 25: 6018.
[5] Thanthirige T R M, Flanagan M, Kennedy C, et al. Advanced measuring techniques for tidal turbine blades during structural testing[J]. Renewable Energy, 2025.
[6] Yang K, et al. Dataset on guided waves from long-term structural health monitoring under uncontrolled and dynamic conditions[J]. Scientific Data, 2025, 12: 991.
[7] Zanarini A. Task-Oriented Structural Health Monitoring of Dynamically Loaded Components by Means of SLDV-Based Full-Field Mobilities and Fatigue Spectral Methods[J]. Applied Sciences, 2025, 15: 4997.
[8] Arrington S, et al. Review of High-Speed Digital Image Correlation: Advancements and Good Practices[J]. Strain, 2025, e70018.
[9] Three-Dimensional Digital Image Correlation Diagnostics for Full-Field In Situ Strain Measurement on Plasma-Facing Components[J]. Fusion Science and Technology, 2025, 81(7).
[10] 科学网. 我国实现3000°C极端环境下的超高温应变场测量[EB/OL]. 2024.
[11] Global Info Research. 2025年全球市场数字图像相关（DIC）系统总体规模研究报告[R]. 2025.
[12] QYResearch. 2025-2031全球及中国3D数字图像相关（DIC）系统行业研究报告[R]. 2025.
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