EikoSim多相机DIC： 涡轮叶片的多相机数字图像相关法与有限元模型标定——赛峰集团、EikoSim 和 Ansys 的合作项目
发布时间：
2026-05-29 16:40
来源：
本文介绍了由赛峰集团（Safran Group）、EikoSim 与 Ansys 三方协作开发的多相机数字图像相关法（DIC）测量与建模方案，用于一件涡轮叶片榫根试件在拉-扭复合载荷下的力学特性表征与有限元模型标定。
01 引言
随着航空航天构件性能要求不断提高，对仿真模型进行验证已成为保障设计可靠性的关键环节。对于承受复杂载荷的零部件——例如风扇（FAN）模块叶片——计算精度对于材料与结构的稳健性而言至关重要。
赛峰针对一件涡轮叶片榫根开展了实验研究，以表征其在拉-扭复合载荷下的力学特性。研究有两个目标：一是获取精确的实验数据，二是验证计算模型的预测精度。鉴于赛峰所采用的三维增强复合材料呈现正交各向异性力学行为，这两个目标尤为重要。
在此次协作中，EikoSim 凭借 EikoTwin Virtual 与 EikoTwin DIC 软件提供专业能力，用于试验优化与实验测量分析；Ansys 则负责在 Ansys Workbench 环境中集成测量结果并完成计算模型的标定。
图 1 ｜ 三维编织复合材料风扇叶片——展示涡轮叶片所采用的复合材料类型
02多相机 DIC 试验准备
在物理试验开展前进行充分准备，有助于优化试验布置并提升测量质量。对于本次叶片试件研究而言，由于存在复杂的拉-扭载荷以及试件扭转的非对称性，需要对所有试件表面的位移与变形进行全面测量，因此前期准备尤为关键。借助 EikoTwin Virtual 的数字化试验准备，研究实现了：
- 相机布置优化：对试件周围 360° 的覆盖进行仿真模拟，以获取全面而精确的测量结果
- 多相机 DIC 质量评估：通过虚拟准备验证变形区域的可见性，并对初步测量不确定度进行预估
- 调整量最小化：在准备阶段确定最优的光学参数设置，减少现场试验台上的校正工作，节省布置时间
这一方法在确保试验可行性的同时，降低了实施成本与不确定度，从而提升了实验测量的可靠性，并为与数值仿真的最优对比奠定了基础。
图 2 ｜ 在 EikoTwin Virtual 中设计测量布置方案
图 3 ｜ 虚拟准备与实际试验布置对比——数字化预备与物理试验配置的并列展示
03试验搭建
试件为叶片榫根截面，承受单调拉-扭复合载荷。由布置在试件周围的多相机系统每两秒采集一次图像。同时，通过实时声发射监测探测损伤的萌生，一旦检测到即立即中止试验。
本研究着重解决以下关键问题：
1理解试件的复杂受载状态，并验证计算模型所作的假设
2探测并定位损伤萌生位置，以定义首次失效判据
连续的多相机数字图像相关测量，使得对试件各表面应变分布的详细分析成为可能。复杂的拉-扭设计要求采集到可靠而详尽的数据，以便将实验位移与应变同数值预测进行精确对比。
图 4 ｜ 四台主相机所采集的图像——从不同角度捕捉试件
04图像处理与应变场计算
采集到的图像通过 EikoTwin DIC 进行分析，该软件将位移测量结果直接施加到仿真网格之上。这种方法具有多重优势：
- 与仿真直接关联：位移场与应变场在与有限元仿真相同的空间坐标系（XYZ）中计算，便于直接对比，并可考虑复合材料单元内部的局部坐标系
- 瞬态分析：数据以时间函数形式给出，可考察整个试验过程中加载与变形的演化
- 关键时刻选取：研究聚焦于试验中止前载荷条件明确的时刻，以实现受控的实验-数值对比
经过处理的数据可获得：位移图与应变图（展示受力分布）、配以放大系数的变形云图（有助于解读力学现象），以及确认无可见裂纹、验证未损伤区域的相关残差分析。
图 5 ｜ 试件四个表面的竖向位移可视化——展示各表面上的位移分布图
图 6 ｜ 试件扭转的可视化——配以放大系数显示变形
图 7 ｜ DIC 相关残差——确认未损伤区域内无可见裂纹的分析图
05与 Ansys 协作及模型重新标定
在完成实验结果分析后，将数据与数值仿真进行对比，以对计算模型进行重新标定、提升其精度。该阶段的工作是将试验结果集成进 Ansys Workbench。通过一段专用脚本，确保了试验与仿真之间的有效对比，其功能包括：
- 将测得的位移场直接导入到仿真网格上
- 在同一坐标系下对实验测量与数值预测进行可视化对比
- 分析试验与仿真之间的差异，识别模型所需的调整
图 8 ｜ 实测场（左）与计算场（右）的对比——在 Ansys Workbench 中使用转换脚本完成
06边界条件的定义与施加
通过调整模型的边界条件，可实现更精确的拟合：
- 记录试件顶部与底部的实测位移
- 确定实际施加的力与转角
- 将由试验导出的边界条件施加到仿真中
最初采用了一个具有六个自由度（三个平动与三个转动）的整体扭转模型。然而事实证明，该方法过于刚性，无法准确捕捉局部变形效应。
图 9 ｜ 在 Ansys Workbench 中定义边界条件的控制截面
图 10 ｜ 实测位移与仿真结果的对比——"扭转"边界条件
07基于边界条件插值的标定优化
一种更为灵活的方法提升了重配准（re-registration）的精度：
✨ 基于表面测量结果，在试验截面上对边界条件进行插值
✨ 更好地计入局部变形，从而更准确地再现力学行为
Ansys 团队贡献了专业能力，提升了脚本效率并优化了 Workbench 中的结果集成。此次协作降低了导入与标定流程的计算复杂度，加快了试验与仿真之间的调整迭代，并确保了数值预测与实验观测之间稳健的可比性。材料参数得以更精确地调整，从而更好地预测叶片的力学行为。
图 11 ｜ 基于表面节点在截面内定义插值
图 12 ｜ 修正后的结果——最终优化的仿真对比可视化
08对赛峰的意义与展望
主要收益在于：通过高度详尽的实验数据，提升仿真模型的预测精度。将试验结果直接纳入数值模型的验证流程，可增强对仿真的信心，并逐步降低对物理试验的依赖。依据详尽的测量数据对模型进行标定，可以：
✨ 提高仿真预测精度，加深对力学现象的理解
✨ 提升数值模型的可靠性——这是"基于分析的认证"（CbA）的关键使能要素
面向"基于分析的认证（CbA）"
这些进展使赛峰能够对复杂边界条件下的试验结果更有信心，让仿真工具在面对工程化载荷场景时更加可靠，进而优化构件设计，并减少耗时且昂贵的实验测试。
通过不断增加此类研究与重新标定工作，其目标是在构件研发与优化中越来越多地依赖仿真，同时减少所需的物理试验。这体现了一种全球性的先进数字方法趋势——试验的作用在于巩固并精化仿真模型，而非系统性地逐一验证设计。
借助 EikoTwin DIC 进行多相机试验分析、并以 Ansys Workbench 完成模型标定，赛峰获得了加速创新、保障设计可靠性的强大工具。本研究既展示了集成数字化工具在严谨工程流程中的强大效能，也彰显了制造商与专业技术方协作应对航空航天行业挑战的重要意义。
多相机DIC,DIC实验虚拟搭建,仿真实测对比,FEM-DIC,应变测量,仿真模型验证
上一页
上一页