数字图像相关DIC技术与红外热像仪结合用于分析热-力耦合行为

　　数字图像相关(DIC)技术与红外(IR)热像仪相结合，用于金属的热变形耦合分析，是一种强大且日益流行的实验力学方法。两者能够同步、非接触、全场地测量材料在热载荷(如焊接、热处理、热成形、发动机运行、火灾等)作用下的温度场和变形场(位移、应变)，从而深入研究材料的热-力耦合行为。

　　1、同步测量：同时获取同一时刻、同一区域的空间温度分布(来自IR)和空间变形/应变分布(来自DIC)，为建立精确的时空关联提供了基础。

　　2、全场信息：提供整个视场范围内连续的、高分辨率的温度和应变数据，而非离散点测量，能捕捉局部化现象(如热影响区、应变集中区)。

　　3、非接触：无需在高温区域安装传感器，避免了接触式传感器(如热电偶、应变片)的安装困难、易损坏、干扰被测场、空间分辨率低等问题，特别适合高温、动态或恶劣环境。

　　4、高时空分辨率：现代高速IR相机和高速相机(用于DIC)可以实现高帧率采集，捕捉瞬态的热过程和快速变形过程。

　　温度场与DIC耦合技术原理

　　新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，将热成像与DIC技术相结合，实现IR红外相机的图像与DIC图像采集同步，标定三个相机实现温度和应变数据处于同一坐标系中，用于研究材料热-力耦合行为。

　　热-力耦合分析重要性

　　无论是使用金属，复合材料，陶瓷还是生物标本，热载荷测试需求对于学术界和商业领域的科研人员和工程师来说都是一个不断增长的领域。

　　通过IR红外相机可监测试样加热升温过程的加载试验效果，从而精确捕捉金属表面的温度分布。结合DIC数据与红外温度场耦合，可分析高温变化及加载过程试样的热机械行为特征，这是传统点测量(即应变计、偏转仪或热电偶)无法实现的。

　　关键技术应用

　　1、温度场耦合：采用立体标定方法，实现DIC相机与红外相机自动精确耦合。

　　2、多传感器同步触发：通过硬件触发信号，实现DIC与红外相机毫秒级同步采集。

　　3、高温散斑制备：采用耐高温喷涂散斑，确保高温环境下图案不脱落。

　　4、耦合分析算法：基于温度补偿模型，将热膨胀效应从机械应变中分离，输出真实应变场数据。

　　实际案例：金属材料热-力耦合试验

　　耦合测量方案：本案例展示了金属材料升温过程中的热变形测量。实验目标：应变场和位移场数据的耦合分析

　　实验流程：实验过程分为升温过程和降温过程，升温过程中用IR红外相机对被测物整体进行温度图像采集。

　　降温过程采用DIC和红外相机配合使用，对被测物上的200mm*150mm区域进行数据采集和计算，获取温度场位移场和应变场的耦合数据。

　　红外相机采集图像

　　实际案例：数据和分析

　　云图的场数据

　　从场数据到点数据，对降温过程中被测物产生的变化进行分析，如下是温度变化过程中，云图整体的变化。

　　不同时间的位移云图

　　不同时间应变变化云图

　　不同时间段温度云图

　　云图中点数据分析

　　为了让数据更直观，对云图和被测物上不同位置取点进行分析。以下是取点图，点数据为0-1-2-3四个点，点点数据为0-1-2-3四条线段数据。

　　云图取点位置图

　　点位移-时间变化曲线

　　点温度-时间变化曲线

　　点应变-时间变化曲线

　　接下来分析点点距离变化的数据，首先0线段实际长度L0为118.3039mm，1号线段为74.4191mm，2号线段为76.4543mm，3号线段为119.9360mm。首先分析每个线段的实际变化量(mm)，再分析实际变化量/原长度(线应变)。

　　点点距离变化量随时间变化曲线

　　点点距离变化率随时间变化曲线

　　DIC技术与红外相机的结合，为金属材料与结构在热-力耦合载荷下的行为研究提供了前所未有的强大工具。它实现了温度和变形全场的同步、非接触测量，极大地推动了实验力学在高温领域的发展。

　　尽管存在散斑兼容性、发射率校正等挑战，但随着特殊材料、先进算法和硬件的发展，这种技术组合正变得更加成熟和可靠，在工业研发、安全评估和基础科学研究中发挥着越来越重要的作用。