陳亞軍， 孫勝潔， 季春明

(中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300)

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三維數(shù)字圖像相關技術(3DDIC)在材料形變研究中的應用進展

陳亞軍， 孫勝潔， 季春明

(中國民航大學 中歐航空工程師學院，天津 300300)

三維數(shù)字圖像相關技術(3D DIC)由于其非接觸 、全場化的測量方式，與其他光測方法相比，具有自動化、光路簡單、普適性及抗干擾能力強等優(yōu)點，廣泛應用于多領域多種材料的力學性能測試中，但在應用過程中會出現(xiàn)測量精確性不確定、高溫實驗測量誤差大、大曲率物體可測面積有限等問題。綜述了3D DIC在不同種類材料常規(guī)力學實驗中的應用，通過對比分析 3D DIC、傳統(tǒng)引伸計測量結果及有限元模擬結果，驗證該技術精確性；由于高溫和大變形測量中 3D DIC 的應用是目前的研究熱點和難點，故重點介紹了高溫散斑制備和多相機DIC等最新技術進展；指出在散斑對測量精度影響、微應變尺度測量、環(huán)境因素對測量效果干擾以及在軍事材料和生物醫(yī)學領域應用等方面還需對3D DIC進一步研究。

3D DIC；形變測量；高溫環(huán)境；多相機DIC

DIC(Digital Image Correlation )技術由Yamaguchi等[1]提出，通過在物體表面制作條紋，并結合使用激光散斑和線性傳感器測量物體面內位移，但由于非線性的實驗過程，測試結果精度較低。1982年Peters和Ranson[2]拍攝加載前和加載過程中的物體二維全場圖像，然后提出一種全新的分析方法，即將變形場分成不同大小的分析區(qū)域，也就是子集。在基本連續(xù)介質力學的基礎上，通過比較變形前后的子集進行“匹配”-相關性計算，這也是早期的二維數(shù)字圖像相關技術(2D DIC)，該方法對于平面內位移測量具有良好的精度，但由于2D DIC技術使用基于單相機的單目視成像系統(tǒng)，僅能測得物體的面內位移，無法計算離面位移，離面位移引起的虛應變會影響應變測量精度，一旦物體運動不在平面內，會導致很大的誤差[3]。在立體目視原理和2D DIC技術的基礎上，Luo，Chao等[4-5]通過兩臺相機同時捕捉物體圖像，構建物體三維立體模型，對物體三維圖像進行分析，也就是三維數(shù)字圖像相關性測量方法(3D DIC)，該方法具有更廣闊的應用范圍，具有良好的精度和適用范圍。Pan等[6]在2D DIC 的基礎上基于一臺相機設計了一種觀測三維形貌的方法。

1 3D DIC原理及優(yōu)勢

1.13DDIC基本原理

3D DIC由 Luo等[4]最先提出，其基本原理是將雙目立體視覺原理(見圖1)與數(shù)字圖像相關匹配技術相結合，還原被測物表面各點變形前后的三維空間坐標，進而得到物體表面形貌及三維變形信息，3D DIC 基本原理見圖2。

圖1 雙目立體視覺基本原理示意圖Fig.1 Basic principle of binocular stereo vision system

圖2 3D DIC基本原理[7]Fig.2 Basic principle of 3D DIC [7]

數(shù)字圖像相關方法的硬件系統(tǒng)主要包括：攝像機、光學鏡頭、圖像采集卡、計算機和相應圖像存儲介質，其中攝像機主要使用的兩種光電感應器為CCD(Charge-coupled Device)和CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)[8]。借助3D DIC相關測量系統(tǒng)可以實現(xiàn)散斑圖像的采集、保存及分析計算一體工作。其中兩個相機負責拍攝試件變形前后的散斑圖像，通過硬件實現(xiàn)圖像信號的數(shù)字化，并將其存貯到計算機中以備處理。圖像采集模塊實現(xiàn)變形前后散斑圖像及標定圖像的采集，相機參數(shù)通過雙目立體成像系統(tǒng)標定模塊完成攝像機系統(tǒng)的標定，用于數(shù)值模擬實驗的二維及三維散斑模擬圖片由圖像模擬模塊生成，通過變形場計算模塊分析實驗圖像，得到試件表面位移場及應變場[9]。

Vic-3D(非接觸全場應變測量系統(tǒng))基于3D DIC相關運算法則—數(shù)字圖像相關法，通過捕獲物體的一系列圖像，并以數(shù)字信號的形式保存，再根據(jù)詳細的算法對這些圖像進行分析處理，最終獲得該物體的三維視野的形貌、位移和應變數(shù)據(jù)測量，具有全場化、非接觸和自動化等特點。NASA(美國國家航空航天局)[10]在測量航空用芳綸纖維織物在老化，折疊等狀態(tài)下對溫度的老化響應實驗中，用SIM(分級等溫法)和TTS(時間-溫度疊加法)兩種加載模式作用在芳綸纖維織物試件上，通過Vic-3D獨立的攝影測量系統(tǒng)觀測形變過程，隨后用配套軟件對拍攝的照片進行分析，得到不同狀態(tài)下試件的蠕變模式。

1.23DDIC與其他形變測量方法比較

應用于宏觀尺度變形場測量的光測方法有全息干涉法、云紋干涉法、電子散斑干涉法、投影柵線和3D DIC等[11]。全息干涉法、電子散斑干涉法、云紋干涉法屬基于干涉原理的光測方法，測量結果易受外界環(huán)境的影響，難以在實際工程現(xiàn)場進行測量。投影柵線測量光路復雜且難以應用于動態(tài)測量。與上述方法相比，3D DIC的優(yōu)勢是：對測量環(huán)境和隔振要求較低，可長期觀測；實驗光路簡單，可測物理量多，普適性強；3D DIC只需對被測試件表面做簡單處理，實驗前期準備簡單易操作；測量范圍廣泛，應變測量范圍從幾十個微應變到2000%，測量對象可以從毫米級到幾十米；此外，3D DIC 記錄了試件表面全場變形信息，可以直觀反映試件的全場位移以及全場應變，是一種應用范圍更廣的測量手段。

2 3D DIC常規(guī)應用及精確性驗證

首先對實驗中數(shù)字圖像相關技術測量誤差來源及控制進行介紹，其次根據(jù)3D DIC在靜載和動載實驗中的應用分別進行分析，在靜載實驗部分根據(jù)不同材料力學性質和測量參數(shù)的側重點不同，按照材料類別分類介紹，在動載實驗部分根據(jù)沖擊實驗和疲勞實驗即實驗類別分類介紹。

2.13DDIC形變測量實驗的誤差來源及控制

(1)圖像污染。如相機傳感器上的灰塵等，在位移中產(chǎn)生較大的局部偏差，針對此類偏差源，要在實驗前檢查相機傳感器及相機鏡頭，如有污染情況要及時進行清潔。

(2)散斑質量低。為得到有效相關性，散斑圖案必須具有非重復性、各向同性和高對比性，表面散斑是試樣變形信息的載體，高質量的散斑對圖像的識別、追蹤及計算精度具有重要的影響[12]。筆者在利用非接觸全場應變測量系統(tǒng)分析2024航空鋁合金板材靜態(tài)拉伸應變場實驗中，以L9(34)正交實驗的方法對散斑的大小、密度和隨機性參數(shù)進行優(yōu)化，高質量的散斑圖像應具有較高的灰度梯度[13]，筆者通過對不同散斑圖像進行平均灰度梯度評估以獲得最優(yōu)參數(shù)組合。使用散斑制作軟件Speckle Generator，根據(jù)正交設計表、試樣尺寸及引伸計加持段尺寸范圍生成散斑圖像，其寬度為20 mm，長度為25 mm，然后通過Matlab軟件計算散斑平均灰度梯度，研究結果表明,工藝參數(shù)對散斑質量影響的主次順序為：散斑大小 >散斑密度>散斑分布隨機性，最優(yōu)參數(shù)組合為散斑半徑(0.5 mm)，散斑密度(50%)，散斑分布隨機性(69%)。目前噴漆是最普遍且相對簡單快速獲得散斑的辦法，但手動噴漆對散斑質量的控制比較困難。打印散斑圖案是一種最易于控制散斑的制作方法，要求粘貼貼紙時避免折痕和氣泡且打印出的散斑貼紙牢牢貼在試件表面并可以隨著試件一起變形，若貼紙與試件表面產(chǎn)生滑移，實驗測出的應變就無法表達試件本身的變形。

關于微形變測量，Vic-3D測試系統(tǒng)可以測量小到800 μm的視野范圍，Rankin等[14]指出DIC的測量精度可以達到<130 με，Gustafson等[15]也指出DIC的平均誤差噪聲達24 με；但微應變尺寸測量對散斑質量要求較高，光刻印刷和氣相沉積可以為小區(qū)域提供散斑，小的粒子比如碳黑足夠小，但是在很小區(qū)域內這些粒子很容易聚在一起，對于如此小的實驗范圍，如何制作出適應的散斑成為挑戰(zhàn)。

(3)因相機自身參數(shù)和相機角度選擇不合適產(chǎn)生的噪聲。為了減小誤差，需要在進行系統(tǒng)設置的時候注意以下幾個方面：對焦、對比度/光照、反光、光圈、相機角度/鏡頭選擇[16]。筆者使用美國CSI公司的Vic-3D測量系統(tǒng)和Instron 5982電子萬能材料試驗機對2024航空鋁合金板材進行靜態(tài)拉伸實驗，從以下幾個方面進行優(yōu)化：(a)相機角度；(b)相機光圈值；(c)子集大??；(d)步長值。通過UV打印技術將最優(yōu)散斑打印在試樣表面，散斑與金屬試樣緊密黏結，相對位移基本不存在。工作距離固定為1.5 m；相機與試樣之間的俯仰角固定為0°；左右相機均使用焦距為105 mm的鏡頭；曝光時間均為8.5 ms。采集100組試樣靜止圖像，計算各實驗工程應變標準差σ(ε)作為評價標準[17]。標準差越小，測量結果精度越高，反之精度越小。研究結果表明，相機及軟件參數(shù)對測量精度的影響的主次順序為：子集大小>步長>相機之間的角度>光圈，通過優(yōu)化實驗，獲得在相應測試條件下較優(yōu)的測試參數(shù)組合為子集大小(59個像素)，步長值(12個像素)，相機之間的角度(20°～25°)，光圈值(5.6～8)。

(4)在高溫實驗條件下，空氣熱浪、試件在高溫條件下的輻射光線及高溫散斑的脫落變質等會嚴重影響實驗結果，關于3D DIC在高溫條件形變測量中的誤差控制將在本文后續(xù)部分進行詳述。

2.23DDIC在靜載實驗中的應用

2.2.1 3D DIC在復合材料性能測試中的應用

Pazmino等[18]通過實驗模擬非卷曲玻璃纖維增強基編織物成型過程，利用3D DIC 對玻璃纖維編織物的局部變形進行了連續(xù)測量。分別運用Vic-3D和MatchID3D兩個軟件包，對觀測數(shù)據(jù)進行處理，兩個軟件獲得的測量值之間有很好的一致性，3D DIC 可以為預測此類復合材料復雜的3D成型提供強大的數(shù)據(jù)支持。Orteu等[19]對金屬纖維耐火陶瓷基復合材料進行拉伸實驗，測量一固定凹痕周圍的應變場，斷裂后通過觀測纖維斷裂方向將微觀纖維拔出模型和宏觀應力聯(lián)系起來。于思淼等[20]在聚合物 PA66 直至斷裂的全程單軸本構關系研究中通過Vic-3D 光測所得試樣表面應變場結果作為實驗對照，驗證了有限元輔助測試方法獲得的聚合物 PA66 全程單軸本構關系結果準確有效。

吳慶等[21]對高強混凝土試件進行3級預加載及3級卸載后進行0.3 mm/min單軸壓縮實驗，采用Vic-3D測量同時用傳統(tǒng)一維位移計測量，測量結果顯示Vic-3D測量結果與位移計測量結果吻合，且Vic-3D 測量結果波動較小。由于混凝土脆性較大，傳統(tǒng)接觸式測量為了保護測量儀器無法獲得全曲線，Vic-3D測量則不受該限制，可以得到從加載到斷裂的全曲線。

2.2.2 3D DIC在金屬實驗測量中的應用

屈服強度、抗拉強度、伸長率等是定性金屬材料力學性能的重要參數(shù)，3D DIC的實時性和全場性對金屬材料力學性能的研究具有顯著優(yōu)勢和重要意義。

在工業(yè)測量中，為了得到鋁邊緣伸展極限，Xie 等[22]對施加3種不同預應變的槽口形鋁試樣進行邊緣拉伸實驗。應用3D DIC對試樣邊緣厚度方向的應變場進行全場觀測，實驗結果表明預應變對邊緣細化極限沒有影響。戴云彤等[23]為了對小尺寸低碳鋼呂德斯效應(應力-應變曲線上的屈服平臺以及試件表面呂德斯帶的一次性傳播)進行研究，采用小視場下(15 mm ×15 mm)3D DIC 對小尺寸低碳鋼試件單軸拉伸過程進行了測量，根據(jù)試件表面應變分布的變化，對呂德斯帶的形成過程、演化過程與頸縮、斷裂等力學現(xiàn)象進行了觀測與分析。指出3D DIC 在小試件的材料力學性能測試方面具有一定的優(yōu)越性，是研究晶體塑性流動力學行為的一種有效測量手段。

代樹紅等[24]對存在預制裂紋的含I型缺口的 Cr12MoV 鋼試件進行3點彎實驗，并利用數(shù)字散斑相關方法測試試件在3點彎曲加載條件下裂紋的擴展過程及裂尖區(qū)域的位移場。將位移場數(shù)據(jù)代入裂尖位移場方程組，采用牛頓-拉普森方法求解含未知參量的裂尖非線性位移場方程組，計算裂尖位置和應力強度因子。實驗結果表明，采用該方法可以準確地測定金屬材料I型裂紋應力強度因子、裂尖位置及裂紋擴展長度，解決了以往研究中因不能準確測定裂紋尖端位置而無法準確計算I型裂紋裂尖斷裂參數(shù)的難題，揭示了金屬材料裂紋擴展過程中應力強度因子演化特征。

李婧宇等[25]利用3D DIC對傳統(tǒng)鑄鐵的拉伸實驗進行觀測和記錄，得到了線、彈性模量、抗拉強度、伸長率等拉伸力學性能參數(shù)。并且將3D DIC應力-應變的測試結果與機械引伸計的應變絕對誤差和相對誤差作了詳細比較：引伸計固定在試件上之后，初始時需要靠與試件之間的摩擦力來帶動其隨試件伸長，初始階段獲得的應變信號滯后，應變值不夠準確，3D DIC方法不會產(chǎn)生此類測量誤差。本實驗中得到兩者的應力-應變曲線基本重合，彈性模量相差不超過4%。證明了3D DIC在金屬拉伸力學性能測試中具有足夠的應變測量精度，完全可以取代傳統(tǒng)引伸計成為一種有效的非接觸式變形測量手段。

筆者在研究開孔尺寸對2024航空鋁合金板材斷裂性能影響的實驗中，使用美國Instron 5982電子萬能材料試驗系統(tǒng)在室溫下對開孔面積為113 mm2，長短軸之比分別為0.7，0.8，1.0，1.2和1.4的5組試樣進行靜載拉伸，應變測量設備為美國CSI公司的Vic-3D非接觸全場應變測量系統(tǒng)，開孔試樣拉伸速率為0.5 mm/min。實驗結果表明，對于相同開孔面積的試樣，長短軸之比越小，試樣的抗拉強度越大。通過Vic-3D系統(tǒng)和引伸計兩種方式測量試樣在實驗過程中的應變變化，兩種測量結果應力-應變曲線趨勢相同，差值在0～1.5%之間，證明了3D DIC測量結果的有效性。

2.2.3 3D DIC在軟質材料性能測試中的應用

軟質材料發(fā)展迅速且對電子工業(yè)和生物醫(yī)學工程的發(fā)展有重大作用，但軟質材料厚度薄、強度低，不適用于傳統(tǒng)的應變計或引伸計等接觸測量方法，3D DIC的非接觸性和高精度為軟質材料力學性能的測量提供了一種新的研究方法。Wang等[26-27]對3種軟質材料進行了研究：用于光黏彈性材料的環(huán)氧樹脂、用于薄膜晶體管液晶顯示器背光模塊的光學薄膜和應用在生物醫(yī)學領域的人工補片。對環(huán)氧樹脂試樣進行拉伸實驗，用3D DIC 觀測，同時通過在試樣上加引伸計測量橫向和縱向應變，兩種方法得到的材料泊松比匹配度很高，證明了3D DIC 在環(huán)氧樹脂力學特性測試實驗的可行性。光學薄膜厚度薄、強度低，不適用于應變計或引伸計測量，3D DIC觀測的是全場變形，更能體現(xiàn)其整體應變特性。利用3D DIC 分別觀測擴散片和棱鏡片在單軸拉伸下的形變場。進一步證明了散斑對薄膜的力學性能影響很小，通過比較3D DIC和拉伸實驗結果，分別得到的彈性模量和泊松比，證明了3D DIC 可以得到準確的力學性能。人工補片在結構上不連續(xù)呈網(wǎng)狀結構，不能使用應變計或引伸計進行測量，通過在補片和拉伸儀器的連接處用橡膠材料進行固定和連接，對3種不同人工補片進行單軸拉伸實驗，并基于3D DIC 測量結果進行力學分析和比較，實現(xiàn)了其力學性能的準確測量。

2.2.4 3D DIC在其他材料性能測試中的應用

耐火澆注料是目前生產(chǎn)與使用最廣泛的一種不定型耐火材料。主要用于構筑各種加熱爐內襯等整體構筑物。耐壓、耐拉和抗折能力是評價耐火澆注料的重要指標，常用3點彎、4點彎實驗和拉伸實驗測試耐火澆注料力學性能，耐火澆注料斷裂強度非常低[28]，Robert等[29]對耐火澆注料試件分別進行拉伸和4點彎實驗，同時用Vic-3D 和傳統(tǒng)引伸計進行測量，結果顯示兩種測量方法測得的結果非常近似，證明了Vic-3D 可以用于應變級別非常低的材料的形變測量。Vic-3D還可以應用在材料裂紋擴展的分析中，王嵐等[30]對半圓瀝青試件進行3點彎實驗，通過Vic-3D 計算的試件三維位移場，應變場及變化速率，分析得出裂縫出現(xiàn)及發(fā)展規(guī)律，并結合掃描電鏡揭示了試件開裂及裂縫發(fā)展機理。在該實驗中引用了在預判區(qū)兩側均勻取點并分別比較Exx-t曲線的方法，準確確定了裂紋的啟裂、穩(wěn)裂和失穩(wěn)階段的發(fā)展軌跡及原因。

數(shù)字圖像相關技術對測量環(huán)境的要求低，測量系統(tǒng)易于實現(xiàn)，測量分辨率和范圍可以方便地調整來滿足多尺度和多種場合的變形場測量，在以上不同材料靜載實驗中，針對不同材料力學性能和實驗目的，研究人員提出的基于3D DIC的多種創(chuàng)新性實驗方法均體現(xiàn)了研究意義，同時通過和其他測量裝置結果的比較，證明了3D DIC在不同材料靜載力學性能測量中具有良好的精確性。

2.33DDIC在動載實驗中的應用

2.3.1 3D DIC在沖擊實驗中的應用

沖擊強度是材料重要的機械力學性能之一，與靜載實驗不同，沖擊實驗在瞬間完成，對監(jiān)測儀器的采集性能有很高要求，高速3D DIC采用高速相機對拍攝區(qū)域內的全場應變數(shù)據(jù)進行實時采集，抗干擾性強且完全不干擾實驗過程，很大程度上提高了操作的簡便性，Chen等[31]通過一個將氣槍和水砧管組合的裝置，對薄銅片進行水下水波沖擊受力模擬，利用高速3D DIC裝置實時觀測銅片形變，通過觀測數(shù)據(jù)得到銅片在水下水波沖擊反應下的形變量、形變速率和應變。為了對高速3D DIC測量結果進行評估，實驗過程中同時在銅片上加應變片進行測量。結果顯示，高速3D DIC 測量儀器測量的位移數(shù)據(jù)和應變片測得的數(shù)據(jù)高度符合，從而證明了3D DIC可以作為一種有效的方法來觀測材料在水下沖擊載荷下的3D全場動態(tài)響應。該方法及實驗結果對于研究海軍軍艦材料在戰(zhàn)斗過程中對于魚雷等的沖擊響應下的研究提供實驗依據(jù)。同樣利用高速3D DIC，Spranghers等[32]通過爆破距鋁板250 mm的40克C4材料來產(chǎn)生作用于鋁板的沖擊波，采用兩架采集幀率為6000 fps的高速攝像機，對鋁板在空氣沖擊波作用下的動態(tài)響應做了跟蹤拍攝，并根據(jù)采集結果進行了鋁板在沖擊波下的力學性能分析，3D DIC在工程應用及軍事材料研究實驗中有很大應用前景。

2.3.2 3D DIC在疲勞實驗中的應用

疲勞破壞是機械零部件和結構失效的最常見形式，研究表明，大量的斷裂都與疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展密切相關。目前尚不能完全通過有效的理論方法來研究其萌生、擴展和斷裂機理[33]。高紅俐等[34]將高速DIC應用到緊湊拉伸(CT)試件在高速諧振載荷作用下裂紋尖端區(qū)域位移和應變場測量中，并指出在沒有疲勞裂紋出現(xiàn)時系統(tǒng)的固有頻率為134 Hz左右，當裂紋擴展到12 mm左右時，疲勞裂紋擴展較為穩(wěn)定，系統(tǒng)的固有頻率降為125 Hz左右。所設置實驗載荷參數(shù)Fmax=152 kN，F(xiàn)min=8.8 kN，F(xiàn)m=12 kN，諧振頻率從134～125 Hz系統(tǒng)自動跟蹤，每一應力循環(huán)內等間距采集25個散斑圖像，當試件上的疲勞裂紋為12 mm時停止疲勞裂紋擴展實驗，并將試件靜載卸到零，采集此時試件散斑圖像作為 DIC 的參考圖像，采集圖像后重新施加同樣靜載，并控制高速攝像機采集1 s時間內一組數(shù)字散斑圖像，仍采用以前的實驗載荷參數(shù)進行疲勞擴展實驗。進行DIC運算時，選取在未加載時采集的圖像作為參考圖像，其余時刻高速攝像機所采集的系列圖像作為目標圖像，選取裂紋尖端10 mm×20 mm對稱于疲勞裂紋擴展水平線的矩形區(qū)域作為計算區(qū)域，取前500個采集圖像計算裂紋尖端區(qū)域位移和應變場，取裂紋尖端點的DIC計算應變值進行最小二乘正弦曲線擬合，求出其相位和振幅。根據(jù)計算結果觀察到越靠近裂紋尖端位移值越大，應變場中的最大應變值都在裂紋尖端處，裂紋尖端處應變值出現(xiàn)明顯的突變，達到最大值并沿裂紋擴展方向逐漸減小，且一個循環(huán)周期內裂紋尖端點應變變化曲線與施加的載荷具有相同的變化規(guī)律。與貼應變片的實驗方法作比較，最大應變測量誤差為4.12%，且由于應變片法測量自身存在的局限性和誤差，可得DIC計算精度高于實際測量結果。

Limodin等[35]利用同步加速器X射線顯微斷層成像儀觀測并記錄試件裂紋擴展形態(tài)，通過在斷層成像儀上安裝一個小的載荷加載裝置給試樣提供裂紋啟裂應力及裂紋擴展的循環(huán)應力，通過3D DIC 對斷層成像儀記錄的圖片信息進行分析得到裂紋擴展的位移場，從而得到裂紋啟裂位移和裂紋擴展形貌。為了研究單面(碳纖維增強樹脂基)黏合補丁和雙面CFRP黏合補丁對修補后的Al-2014-T6合金疲勞壽命的影響，Srilakshmi等[36]通過DIC觀測記錄Al-2014-T6合金面板中心裂紋在疲勞載荷下的擴展，并通過3D有限元軟件進行分析，結果表明雙面修復面板的疲勞壽命是單面修復面板的兩倍，從而證明CFRP/ AL-2014-T6接合界面屬性會顯著影響修補后Al-2014-T6合金試件的疲勞壽命。劉聰?shù)萚37]在鋼板的拉壓疲勞實驗中，對固定在材料試驗機上的鋼板進行速率為0.1 mm/s的連續(xù)拉伸-卸載-壓縮-卸載，直至試件破壞，采用一種改進的3D DIC系統(tǒng)對實驗過程進行觀測和分析，得到了與整個加載過程相吻合的位移和應變時程曲線，對鋼板疲勞壽命等理論研究及工程實際具有參考性意義。

數(shù)字圖像相關技術解決了傳統(tǒng)疲勞裂紋擴展實驗不能從材料微觀和宏觀變形的全局角度來揭示疲勞裂紋起裂、擴展、斷裂的演化過程和機理問題，為材料疲勞擴展技術的應用及進一步研究疲勞擴展機理和擴展參數(shù)提供了理論和實驗基礎。

3 3D DIC在高溫形變測量的應用研究

Smith等[38]為了模擬6000系列鋁合金在鍛造成型過程中循環(huán)受力變形和受熱的疲勞情況，分別對鋁合金片試件進行20%單軸拉伸應力預加載、10%彎曲應力預加載和前兩種的合并預加載，然后將應力預加載后的鋁片試樣固定在特殊設置的固定托盤上，分別將不同預加載的試樣放入高溫爐進行熱循環(huán)加載。Vic-3D 通過石英窗對鋁片形變進行非接觸測量。該實驗方案解決了傳統(tǒng)接觸測量受加熱裝置尺寸及溫度的限制的問題，可以準確記錄下加熱循環(huán)過程中鋁合金試件的變形過程，為進一步的力學性能分析提供了充足的數(shù)據(jù)支持。但是高溫環(huán)境下用3D DIC技術測量形變可能面臨的問題有：散斑脫落，變質；試樣和鏡頭間空氣翹曲變形；試樣在高溫條件下黑體輻射的輻射光線會影響相機采集的灰度值[39]。

3.1高溫測試技術優(yōu)化及設備研發(fā)

Hammer等[40]為了減少在800 ℃高溫Ti-6Al-4V合金試樣拉伸至失效形變測量實驗中，面對由于空氣熱梯度、散斑附著、觀察窗變形導致的圖像失真、相機校正、紅外相機傳感器的光污染等問題造成的測量誤差，將高溫爐和伺服液壓控制的加載框架組裝成所需實驗儀器，依靠風扇循環(huán)加熱爐減小由空氣熱梯度引起的圖像失真，利用紅外輻射熱鏡減少紅外傳感器光污染，采用光偏振過濾器減少眩光。江天云等[41]將3D DIC系統(tǒng)置于溫度可保持相對穩(wěn)定的封閉環(huán)境中，并通電預熱1～2 h，直到系統(tǒng)自身溫度也達到穩(wěn)定平衡再進行測量來減小測量誤差，同時提出如在環(huán)境溫度變化劇烈的室外現(xiàn)場進行測量，可在視場范圍內被測對象周圍放置一個不發(fā)生變形的剛體補償試樣，先測量補償試樣的變形，并在最終被測試樣變形中減去補償試樣的虛變形，該實驗方案消除了環(huán)境溫度變化和相機自熱引起的應變測量誤差。Swaminathan等[42]使用單色藍燈光照明和藍色的帶通濾波器減少進入相機的黑體輻射。Berke等[39]通過紫外線照射和紫外線光學來減少鎳基高溫合金在高溫實驗條件下黑體輻射光的對DIC測量的影響。通過實驗比較3種光照(白光、藍光和紫外線)在不同溫度下對散斑灰度值的影響，結果表明3種方法在低溫時實驗結果近似，隨著溫度升高白光在500～ 600 ℃時就有顯著影響，藍光在800～900 ℃時開始產(chǎn)生顯著影響，紫外線在1260 ℃仍保持最小影響。由于受該材料熔點的限制，實驗只能最高到1260 ℃，期待將該方法用于具有更高熔點的材料中，來進一步驗證該方法的實用性和優(yōu)越性。

Cholewa等[43]在對長度1 m左右的玻璃纖維/乙烯酯/輕木三明治復合材料施加同步單面加熱和壓縮載荷的實驗中，將紅外熱成像法和3D DIC方法結合起來設計了一種新的溫度場下同步測量形變的方法，簡稱TDIC方法。基于標準的針孔立體校準模型，該方法融合入了熱和位移的圖像信息，并且補償了相機分辨率的差異。TDIC測量方法在同一個面進行且不受試件幾何形貌和熱學性能的影響。Pan等[44]在研究超耐熱不銹鋼蜂窩夾心板材在不穩(wěn)定熱載荷下的熱機械響應實驗中，為了研究該夾心板材隔熱性能和三維形變，自主研發(fā)了一種瞬態(tài)氣動加熱模擬系統(tǒng)和一種新型的自動成像數(shù)字圖像相關技術來模擬時變熱環(huán)境。利用一個自主研發(fā)的石英燈加熱系統(tǒng)來產(chǎn)生瞬態(tài)氣動加熱環(huán)境，該加熱系統(tǒng)包括紅外輻射器、兩個熱電偶、一個A/D轉換器、一個D/A轉換器，一個信號放大器和控制計算機，該加熱系統(tǒng)可以將試件表面的溫度控制在浮動度數(shù)為0.1 ℃的范圍內。研發(fā)的自動成像系統(tǒng)區(qū)別于一般的系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于一個單色光照明組件結合帶通濾波成像系統(tǒng)，因此，該成像系統(tǒng)可以有效地抑制超過550 ℃高溫元件發(fā)出的熱輻射，同時通過引入光學帶通濾波片來防止圖像相關差現(xiàn)象。

在高溫形變測量中，通過紅外輻射熱鏡可以減少紅外傳感器光污染。為了減小圖像失真造成的測量誤差，可以采用以下方法有效減小測量誤差：利用風扇循環(huán)加熱爐減小由空氣熱梯度引起的圖像失真；通過對3D DIC測量系統(tǒng)進行通電預熱平衡測量環(huán)境內外溫度消除測量誤差；通過減去補償試樣虛應變消除相機自熱引起的測量誤差；將光照設為紫外線照射減少黑體輻射消除測量誤差；通過TDIC方法既融合熱和位移的圖像信息，又補償相機分辨率的差異；利用帶濾波系統(tǒng)可以抑制高溫熱輻射，光學帶通濾波片可以有效防止圖像退相現(xiàn)象。針對不同高溫測量方法和測量環(huán)境，合理選擇以上優(yōu)化實驗方法，可以有效減少高溫測量誤差。

3.2高溫散斑制備的優(yōu)化

為了應用高分辨率數(shù)字圖像相關技術，Blaber等[45]利用可視量程相機和長量程顯微鏡構成的一個簡單的光學系統(tǒng)設計了一種在金屬表面穩(wěn)定高效的散斑模式，用開放源代碼DIC軟件檢驗了散斑在1000 ℃下鎳基高溫合金表面的穩(wěn)定性，利用該技術，成功地獲得了1000 ℃高溫環(huán)境下在鎳基高溫合金試樣裂紋尖端場的高分辨率應變圖。

鎳基高超耐熱不銹鋼試件在700～800 ℃高溫條件下的亞晶水平的應力測量對散斑的性能要求較高，Pataky等[46]為了得到符合測量精度的散斑，首先對試件表面進行處理：用P4000規(guī)格的砂紙打磨，然后用0.3 μm的硅粉拋光，最后用震動拋光機進行二次拋光。為了得到合適的散斑噴涂料，分別將直徑1 μm的硅顆粒和直徑3 μm的氧化鋁顆粒利用空氣噴射法沉積到試件表面，再將試件加熱到800 ℃后進行冷卻，結果表明氧化鋁更適合做散斑噴涂料。Guo等[47]利用等離子噴霧技術制造散斑，分別運用一個帶通濾波器，一組中性密度濾光片還有一個線性偏振濾光鏡來用于減小散斑圖像噪聲，該方法被證實可以保證測量溫度高達2600 ℃時的DIC測量精度。實驗對象是碳纖維試件，由于金屬鎢具有高物理濺射閾值能量、高熔點、低蒸汽壓、好的導熱系數(shù)的物理特性，并且相比于其他噴涂材料，鎢的熱膨脹系數(shù)更接近于碳，采用鎢作散斑噴涂料。由于等離子噴霧技術的噴涂速率可以高達180～600 m/s，散斑在試件表面黏合力很強，不易脫落。

徐德昇等[48]在使用數(shù)字圖像相關技術精確確定防熱材料高溫力學性能參數(shù)的實驗中，為了得到高溫實驗條件下性能穩(wěn)定的散斑，將高溫下附著力強、常溫下容易分散的白色粉末與水混合并充分攪拌以形成懸濁液，然后均勻噴濺到試樣標距段內的表面上形成散斑，并將帶有散斑的試樣進行烘烤，使粉末內的水分揮發(fā)來滿足高溫實驗要求。

Pan等[44]在時變熱輻射環(huán)境下高溫合金蜂窩板三維熱變形測量實驗中，高溫合金蜂窩板結構的平面尺寸為210 mm × 210 mm，為解決大面積散斑制作問題，以可耐受1700 ℃的無機高溫噴漆作為變形信息載體，提出一種新型高溫散斑制作方法，步驟如下: (1)用 MATLAB 軟件生成一幅黑白二值隨機圖像; (2)打印圖像并粘貼在250 mm×250 mm×5 mm硬鋁板表面; (3)在鋁板上按照圖像黑白像素點分布打出大小、位置隨機的通孔; (4)將打完孔的鋁板覆蓋在被測試件表面，噴涂無機高溫噴漆。

有別于直接在試樣表面噴涂散斑的方法，胡育佳等[49]首次在研究中利用光纖激光在純鈦試件表面刻蝕出大小可控，對比度高的耐高溫人工散斑，該鈦試件力學性能測量實驗結果與標準推薦值相對誤差為0.7%，證明了利用光纖激光刻蝕法制造散斑的實驗結果是準確有效的，在試件表面材料允許的前提下，光纖激光刻蝕方法既可以對散斑大小位置進行控制，又可以避免高溫測試條件下散斑脫落的問題，該散斑制作方法為高溫散斑制作開辟了一條新的思路。

目前，3D DIC高溫形變測量是研究的重點和難點，高質量高溫散斑的制作是精確測試結果的前提保障，針對不同實驗材料、實驗溫度和實驗環(huán)境，研究人員提出的不同高溫散斑制作和噴涂方法，解決了高溫形變測量中散斑變質脫落問題，為數(shù)字圖像相關技術在進一步高溫形變研究中高溫散斑的制作提供了研究思路和實驗依據(jù)。

4 3D DIC在大變形測量的應用研究

鑄鐵作為被測試件時，其表面為圓柱面而非平面，盡管相對于2D DIC，3D DIC 能夠有效降低卻也仍然無法完全規(guī)避由離面位移帶來的誤差[25]。張賓等[50]也指出基于兩個相機的三維數(shù)字圖像相關法面對大曲率被測物時可測量面積十分有限，這對于實際測量十分不足。

4.1大變形測試技術優(yōu)化及設備研發(fā)

Song等[51]利用Vic-3D對直徑 71.1 mm 、高156 mm的致密沙土樣本作三軸壓縮實驗，在該實驗中，沙土的樣本形變高達12%，如果按照傳統(tǒng)，將Vic-3D參照圖設為未變形圖，受Vic-3D 的測量范圍影響，將會導致無法跟蹤拍攝形變的全過程，為了克服此類困難，采用了一種新的參照圖的設定方法：每拍攝4張圖，重新設定一次參照圖像，這樣可以解決無法測量所有漸進位移的問題。Pan等[52]為了達到遠距離(1 m到300 m)、多目標、實時位移追蹤和現(xiàn)場測量的目的，基于逆成分高斯牛頓算法結合激光測距儀設計研發(fā)了視頻撓度計。通過精度確認實驗驗證了該激光測距儀的亞像素測量精度，并通過鐵路大橋的形變測量實驗，證明了該視頻撓度計可以測量存在多垂直偏轉點測試對象的形變場，同時驗證了該視頻撓度計在實際、遠距離、非接觸實驗中的實用性和有效性。

4.2多相機技術的發(fā)展的應用

雙相機3D DIC 系統(tǒng)在測量諸如圓柱、球體等大曲率試件時，測量的精確度不夠高且達不到全周測量的需求，從而導致測量誤差較大。研究人員考慮增加相機對數(shù)來擴大測量范圍，提高測量精度。Chen等[53]為了在不減小分辨率的前提下擴大測量范圍，利用兩組預校準的CCD相機，測量一塊鎳合金在1200 °C高溫下的動態(tài)響應，每對相機覆蓋一半試件，為了保證兩對相機間測量結果的連續(xù)性，給四個相機設置一部分重疊的測量區(qū)域。不同于傳統(tǒng)的視場縫合技術[54]，該工作利用了群聚方法將視野中的全部點映射到一個全局坐標系中，設計了一個由光學導軌組合構成的實驗框架，將四個相機對稱地固定在該框架上保證了該測量系統(tǒng)測試結果的精確性和穩(wěn)定性。陳凡秀等[55]利用4相機DIC系統(tǒng)對鎳合金不銹鋼材料在高溫場中的變形進行測量，獲得了物體的三維變形場并分析了材料的膨脹系數(shù)，得到了試件的熱應變-溫度曲線和膨脹系數(shù)隨溫度變化的關系式。陳振寧等[56]基于離散化思想，運用360°全周變形測量系統(tǒng)，利用環(huán)向布置的8 個相機組成4 套三維數(shù)字圖像相關(3D DIC)子系統(tǒng)，離散化測量位于系統(tǒng)中央具有大曲率、大變形的圓柱體試件?；诖藴y量系統(tǒng)跟蹤玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)包裹混凝土圓柱的破壞與變形。首先通過對8相機系統(tǒng)測試范圍的驗證和對應變測試精度的研究，證明了8相機360°全周變形測量系統(tǒng)測量BFRP 包裹的混凝土圓柱是可靠的，Sutton等[57-58]給出了測量標準。其次，通過對不同尺寸、不同規(guī)格的BFRP 混凝土圓柱承受不同包裹方式的抗壓性能實驗結果，與傳統(tǒng)應變片數(shù)值進行比較，得到此360°全周變形測量系統(tǒng)在小變形時候有較高的應變測量精度。該實驗中因為試件有上百個，為了得到較高的散斑質量，用噴槍噴涂特殊顏料來制作散斑?？刂茋姌寶鈮?，噴制不同大小的散斑顆粒。針對大應變計算，選擇了相鄰相關算法，以減小變形量大造成的相關差而產(chǎn)生的測量誤差。結果表明，利用八相機系統(tǒng)對BFRP 混凝土圓柱進行全周變形測量能夠滿足工程測量的需求，是可靠的。在工程應用上，為了更好地滿足復雜形狀部件的形變測量需求，Siebert等[59]將多相機技術分別應用在汽車碳纖維輪圈、橫拉桿、和塑料部件的形變測量上，多相機DIC基于視場縫合技術或群聚方法將不同相機的測量視場連接起來，可以增加工程應用上大形變、大曲率、復雜形貌部件測量的精度與靈活性，對工程應用提供了很好的借鑒作用。

5 結束語

為了提高3D DIC技術的精度，還應在以下方面做進一步研究：(1)散斑大小和形狀與數(shù)字圖像相關方法的位移測量精度密切相關，關于散斑特征(如尺寸、密度等) 與匹配誤差關系目前研究較少，今后要深入研究隨機散斑分布特征對測量精度的影響，從而能夠高效、準確地在試件表面制作最佳的隨機散斑；(2)當前3D-DIC技術對于多散斑場區(qū)域變形測量，可以將測量精度控制到50 με以下，對于幾個散斑之間的變形，精度可以控制到20 με以下。微應變尺度測量、高速測量和高溫測量等方面3D DIC 技術的作用并沒有完全發(fā)揮出來，有待于進一步的研究；(3)目前尚缺乏外界因素(如環(huán)境光、振動等) 干擾對測量效果的影響研究，今后應該進一步在此方向進行研究，使得3D DIC更好地應用于實際工程測量；(4)3D DIC在軍事材料和生物醫(yī)學領域的研究中體現(xiàn)了可行性和優(yōu)越性，但目前在此類材料性能測試中應用較少，有待于進一步研究。

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(責任編輯：徐永祥)

DevelopmentandApplicationof3DDigitalImageCorrelation(3DDIC)inDeformationMeasurementofMaterials

CHEN Yajun, SUN Shengjie, JI Chunming

(Sino-European Institute of Aviation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

As a non-conduct and whole field measurement method，3D DIC (3D digital image correlation) is widely used in mechanical properties test of many types of materials in varies fields. Compared with other optical measurement methods, it has advantages as automation, simple optical path, strong universality and anti-interference and so on. But it has some problems in the process of application, i.e. the measurement accuracy is uncertain, the high temperature test condition seriously affects the experimental results, and the measurable area of large curvature specimen is limited. This paper gives a general introduction to the application of 3D DIC in the conventional mechanical property test of different types of materials, and verifies its accuracy by comparing with the traditional extensometer measurement results and the finite element simulation results. It focuses on some latest technological progress, such as the high-temperature speckle preparation and multi-camera DIC, as the application of 3D DIC in the high temperature and large deformation measurement is mostly studied. Moreover, it is pointed out that 3D DIC should be further studied for the influence of speckle on measurement precision，the effect of environmental factors , the measurement of micro strain scale and the application in fields of military and biomedical materials．

3D digital image correlation; deformation measurement; high temperature environment; multi-camera DIC

2016-08-08；

2017-01-09

國家自然科學基金(11502285)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費中國民航大學專項(3122015Z002)

陳亞軍(1976—)，男，博士，副教授，主要從事航空材料性能測試及分析，(E-mail)yjchen@cauc.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000139

TB92；O348

： A

： 1005-5053(2017)04-0090-11