DSE三維數字散斑技術在材料壓縮全場應變演化研究中的應用

本研究采用DSE（數字散斑相關法）三維全場應變測量系統，結合凱爾測控高精度材料試驗機，實現了對材料在壓縮載荷下全場變形演化的精準量化分析。通過同步采集加載過程中的三維全場應變分布數據，系統揭示了材料從彈性變形到塑性屈服、直至破壞的全過程應變演化規律，為材料力學性能評估與失效機制研究提供了高分辨率、非接觸式的量化手段。

一、 系統集成與試驗方法

1. 試驗系統構成：

加載設備：凱爾測控試驗機，提供精確、穩定的軸向壓縮載荷，并實時記錄載荷-位移數據。

測量系統：DSE三維全場應變測量系統，包括高分辨率雙目相機、專用散斑投射光源及圖像處理軟件。試件表面預先制備高對比度隨機散斑圖案。

同步控制：通過觸發信號實現試驗機與DSE系統的同步，確保力學數據與應變圖像幀對應。

2. 試驗流程：

將制備好的試件安裝于凱爾測控試驗機壓縮夾具中。

DSE系統對試件進行雙相機標定，建立三維坐標映射關系。

設置試驗機加載程序（如位移控制或力控制），并啟動DSE系統連續圖像采集。

開始壓縮試驗，系統同步記錄載荷、位移及試件表面序列圖像。

試驗結束后，通過DSE軟件處理圖像序列，計算全場三維位移及應變場。

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二、 變形演化精準量化分析

1. 全場變形可視化：

位移場：獲取試件表面各點在三維空間中的位移矢量，直觀顯示壓縮過程中的整體翹曲、局部屈曲等現象。

應變場：計算包括縱向壓縮應變（εyy）、橫向膨脹應變（εxx, εzz） 以及剪切應變（εxy等） 在內的全場分布云圖，清晰呈現應變局部化區域。

2. 關鍵變形階段量化：

彈性階段：應變場均勻分布，宏觀應變與試驗機位移數據高度吻合，可精確計算材料彈性模量。

屈服與塑性流動：應變場出現局部集中（如“剪切帶"或“鼓形"區域），DSE系統可精準捕捉屈服起始點位置及塑性區演化過程。

破壞階段：實時追蹤裂紋萌生位置、擴展路徑及周圍應變集中程度，量化分析破壞機理。

3. 數據對比與驗證：

將DSE系統測量的局部應變與試驗機引伸計或應變片數據進行對比，驗證其準確性。

利用全場數據，分析試件幾何不均勻性或材料缺陷對變形局部化的影響。

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三、 技術優勢

1. 高空間分辨率：克服傳統點式測量（應變片）的局限，獲取百萬像素級數據點的應變信息，無遺漏地捕捉局部應變集中。

2. 真正的三維測量：可同時測量面內（In-plane）和離面（Out-of-plane）位移，適用于可能發生屈曲或傾斜的壓縮試件。

3. 非接觸式測量：避免接觸式傳感器對試件（尤其是柔性或小尺寸試件）的干擾，且適用于高溫、低溫等環境。

4. 動態演化記錄：完整記錄變形全過程，支持回溯分析任一時刻的應變狀態。

5. 與凱爾測控試驗機的無縫集成：確保力學數據與光學測量數據嚴格同步，提供載荷-應變-時間多維關聯分析。

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四、 應用價值

材料本構參數反演：為基于全場數據的材料參數識別提供高精度輸入。

失效機理研究：精準定位破壞起源，量化分析損傷演化過程。

仿真模型驗證：為有限元分析（FEA）等數值模擬提供詳細的全場變形數據，用于模型驗證與修正。

工藝與結構優化：評估材料或結構在壓縮載荷下的性能弱點，指導優化設計。

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結論

將DSE三維全場應變測量系統與凱爾測控試驗機相結合，構建了一套精準、高效的材料壓縮變形分析平臺。該技術不僅能夠提供遠超傳統方法的豐富應變場信息，更能動態、定量地揭示材料從變形到破壞的完整演化歷程，為材料科學、力學研究和工程應用提供了強有力的測試手段。