摘要：DIC应变测量技术因其测量时具有全场性、非接触性、应变解析范围广和测量结果相对准确等特点，所以非常适合用于测量工业结构、复合材料、石油工程、岩土工程及建筑工程等相关的形变、应变及位移，验证结构设计是否合理，了解其相应的力学性能，评估其使用状态是否达标。在实际应用过程中，如果测量环境特殊，如被测对象结构复杂、曲面率大，或是周围设施阻碍视野、测量区域范围较大，……，这种情况下实施DIC应变测量实验时，将会涉及多个摄像头同步采集数据系统的搭建，同时处理多个摄像头同步采集到的数据的方法，也将对测量结果产生严重影响。

针对上述摘要中提出的问题，我们以法国EikoSim公司提供的应变测量系统为例，为大家进行分析和讲解。

使用EikoTwin Visual模拟DIC实验场景，确定测量设备的搭建方案

• 基于实验环境和测试结构的网格模型创建完整的实验场景；
• 基于实验的现实情况对测试对象的纹理特性和实验的光照条件进行适度的调整；
• 导出适用于真实实验的图像及环境搭建配置方案；

在进行DIC实验时，实验准备工作非常重要，是影响实验能否成功的关键因素，尤其是在对复杂结构进行DIC测量时。

在进行模拟DIC测试时，需要针对以下方面进行优化及确认：

• 确认测量工作关注区域都在可视范围情况下，需要相机数量；
• 相机相对于彼此以及相对于零件及其环境的位置；
• 必须调整预期应用的散斑图案，如尺寸和形状；
• 实验过程中，必须要保证在时间和空间上均匀的照明；
• 确认在预期的实验环境中，是否有必要使用校正板。

 

使用EikoTwin DIC软件对多摄像机同步采集数据进行处理

技术原理

• 基于有限元网格的图像处理（立体网格DIC技术）。
• 网格周围自动校准。
• 多视图（对摄像机数量没有技术限制）。

 

接下来请大家参考EikoSim公司多摄像机立体DIC应变测量系统在MBDA的实际应用案例。

使用立体DIC进行位移追踪

预设实验

安装着待测发动机罩的机器位于相对拥挤的实验室中，由于发动机罩本身被嵌入在一个特殊的工具中，操作和放置物理传感器（LVDT、应变仪）的空间受到限制。这些限制还减少了相机的有效视野，以及在零件周围放置相机的空间。为了克服这个问题，EikoSim使用EikoTwin虚拟工具对实验方案部署进行了虚拟搭建。该工具对测试场景进行虚拟仿真，然后针对不同的感兴趣区域，在压缩负载测试之前预测相机的位置（图2）

图2：EikoTwin Virtual预测摄像机系统的位置

使用EikoTwin Virtual，我们可以预测摄像头的位置，并基于测试规范确定散斑斑点的适当尺寸（如要考虑摄像头的性能、摄像头与发动机罩之间的距离以及网格的精细化）。该软件提供了尽可能接近真实测试所需的虚拟图像（图3）。

图3：预设实验期间拍摄的虚拟图像

借助于试验的虚拟图像，试验预设工作可以确定该配置中位移测量所期望的最小不确定性。这是在理想条件下计算的试验测量噪声，低于理想条件时无法测量位移。对于两个受感兴趣的领域，该测试的最小预期测量不确定度如表1所示。这些数据很有趣，因为它们使我们能够精确地限制未来测量的质量，还可以预测给定试验的预期测量精度是否与实验的实际情况相兼容。事实上，立体DIC测量中不确定性的量化与传统传感器的测量不确定性非常不同。

 

测量对象	不确定性（µm）
X轴平均值	5.8
Y轴平均值	9
Z轴平均值	9.8

表1：预设实验获得的平均不确定度

试验实施过程

根据实验预设期间定义的试验配置，我们放置了两对静态相机（一张图像/秒，4112×3008像素），分别观察区域1和2。

图4：多摄像头系统的实验设置

由于使用了图像采集软件EikoTwin VISION，在使用多摄像头系统对发动机罩进行压缩载荷测试期间，同时拍摄了两个感兴趣区域的图像（见图5）。MBDA对发动机罩进行了几种类型的压力加载。

图5：测试期间拍摄的两个感兴趣区域的图像

 

结果和展望

结构的有限元模型极其复杂和精细，只选择了感兴趣的区域进行实验测量。仅在这两个区域（图6中的绿色区域）测量位移，并对比实测结果与计算结果。

图6：直接在有限元网格上定义感兴趣区域

根据测试图像，EikoTwin DIC软件针对MBDA的两个感兴趣区域，直接测量其提供的有限元模型节点处的位移。DIC测量结果显示在网格模型上，因此，可以直接与有限元模型的预测和测试期间可能存在的物理传感器的预测进行比较。

图7显示了零件表面研究区域1DIC测量位移场和数字模拟位移场的比较。可以看出，所获得的两个字段具有很强的相似性。所获得的两个字段具有很强的相似性。立体DIC测量场在零件中心周围的位移分布中似乎更对称，而模拟预测从中心到发动机罩凸耳的位移更强、更分散。

 

图7：区域1的DIC法向位移场（左）和数值模拟的法向位移场（右）

图8:区域2的Z轴位移场

上面的图8显示了区域2的Z轴测量位移场。使用EikoTwin DIC，也可以直接将模拟和实际测量的位移场进行差异比较，差异场显示了感兴趣区域中测量场和模拟场之间的偏差。

对于区域2，该结果如图9所示。值得注意的是，这里的差异场非常嘈杂，这表明这两个场之间没有显著差异，或者是发生在一个场的位移变化在另一个场中没有被发现。如果MBDA注意到传感器的测量值、立体DIC测量值和模拟值之间的差异，这些差异就不会导致严重后果发生了，因为DIC字段可以对模拟进行比物理传感器更有效、精确和更广泛的重新校准。

 

图9：测量和模拟之间的差异场，直接在有限元网格上表示

 

结论

MBDA投资购置了相机，以实现DIC技术在其测量面板中的使用。为了促进DIC测量在MBDA工作流程中的集成，EikoSim作为MBDA测试服务和设计办公室能力提升的伙伴进行了协助。为了做到这一点，数字图像相关工具（硬件和软件）已经在不同的测试中进行了试运行，这些测试的复杂性越来越高，从样品和试样到完整结构测试（在多摄像机立体DIC系统监测下进行压缩载荷测试）。

借助EikoTwin Virtual软件，进行了虚拟实验预设，为真正测试实验、相机的定位和斑点的实现做事先部署和设计。这项前期研究还使我们能够了解测量的平均不确定度。使用多摄像头系统和EikoTwin VISION软件，在作为研究对象的发动机罩的两个不同区域收集测试数据。在EikoSim对团队进行培训后，MBDA通过数字图像相关软件EikoTwin DIC对获得的图像进行内部处理。