多相机数字图像相关DIC技术用于混凝土柱压缩变形测量

　　某高校科研实验室需预制高强混凝土柱，进行混凝土柱结构力学性能评估任务。传统接触式传感器(如应变片、LVDT)存在布点局限、易受破坏、难以捕捉全场变形与裂缝萌生扩展过程等痛点，尤其在大荷载、破坏性压缩试验中数据极易缺失。

　　为获得全表面、高精度的三维变形场数据，深入分析混凝土柱的破坏机理与非线性行为，决定引入新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，采用多相机三维数字图像相关技术（Multi-Camera 3D-DIC） 作为核心测量手段。

　　多相机数字图像相关DIC技术

　　面对立体圆柱试件，如何实现全周360°三维变形测量?超大型试件的变形如何测量?圆柱360°任意位置的变形和破坏监测一直是研究工作中亟待解决的问题。

　　新拓三维技术团队将多个XTDIC三维全场应变系统测量头组合，实现多相机同步测量，可从不同角度，不同测量区域同时进行测量。

　　通过摄影测量技术，将多组XTDIC三维全场应变系统测量头坐标转换为通用坐标，从而将多个本地XTDIC三维全场应变系统测量结果结合进行整体评估，解决了表面曲率大(如圆柱体、球体等)试件全周测试、超大型试件应变测量难题。

　　DIC技术四测量头360°全周变形测量

　　常规双目DIC技术单测量头方案，无法满足混凝土圆柱大曲率试件的测量实验需求，根据现场工况，采用新拓三维DIC技术四测量头解决方案，解决了双相机DIC测量系统在大曲率物体变形测量中出现的问题，保证测量区域完整性。

　　为了满足圆柱体混凝土360°全周测量需求， 新拓三维技术工程师在试件每个面架设一组XTDIC三维全场应变测量系统测量头，四个面共架设4组测量头，同时在样件周围布置全局点，并通过摄影测量技术，将全局点坐标进行统一，以实现覆盖立柱体的 360°以及大视场范围的测量。

　　DIC系统四测头360°观察混凝土柱体

　　人工制作散斑

　　在混凝土柱体表面先喷洒一层白漆，再用装有黑色哑光漆的喷雾器在试件表面撒布黑色斑点，形成随机且均匀的分布散斑点。人工散斑的制作对灰度计算中的相关系数值及数字散斑相关测量的精确度具有一定影响。

　　混凝土柱体表面制作散斑

　　基于全局点的多测头标定

　　采用摄影测量获取全局坐标点，然后使用全局坐标点用于标定四测头空间位置;统一多个测量头的坐标系，这有助于确保XTDIC三维全场应变测量系统各个测量头之间的数据一致性和准确性。

　　获取全局坐标点

　　弹性阶段-DIC位移场分析

　　混凝土是一种带有原始缺陷的复合材料，由于水泥硬化干缩、水分蒸发等原因，在砂浆与骨料界面之间会留下原始微裂纹。这些微裂纹在受力较小时是稳定的，宏观表现为试件加载初期材料呈线弹性。

　　XTDIC三维全场应变测量系统采用整像素、亚像素匹配方法精确追踪测量区域及目标点)，采用形函数对变形前图像中目标点的子集与变形后图像中目标点的子集进行形状拟合。

　　DIC软件按一定像素间隔对试件感兴趣区域(ROI)进行网格划分，对划分出的各目标点进行DIC计算，从全场位移场数据可看出，混凝土受压前期，试件上部有变形集中区域产生，试件内部原始孔隙已基本被挤压密实。

　　360度测量3D位移场

　　裂纹扩展破坏阶段-DIC位移场分析

　　当荷载超过极限强度时，混凝土柱体原有微裂纹将发生快速扩展、聚合，新生裂纹急剧增多。微裂纹快速增生和不稳定扩展，结构承载力下降，宏观上表现为应变软化现象。

　　实验中，利用压缩加载变形前后的数字化图像，结合特定的图像匹配准则，通过XTDIC三维全场应变测量系统软件对前后变形图像进行匹配，从而得到混凝土试件表面全场位移，并对关键点进行位移分析，输出加载过程的位移变化曲线：

　　裂纹扩展破坏阶段-位移场分析

　　混凝土柱受压过程中，试件表面不同位置的应变各不相同，且破坏位置随机。为了测量破坏位置在整个加载过程中的应变，多相机数字图像相关DIC技术可360°全表面测量方案，可对圆柱体试件的全表面360°变形进行测量。

　　新拓三维DIC软件通过对位移场进行局部最小二乘拟合，经过平滑和差分处理后即可得到应变场，并对关键点位移、点-点距离变化分析，输出加载过程关键点位移变化、点-点距离变化曲线：

　　裂纹扩展破坏阶段-应变场分析

　　新拓三维DIC测量系统四测量头方案，采用8台工业相机同步采集图像，分析得到混凝土试件360°表面的位移及应变分布，清晰地记录结构关键位置的变形和裂纹扩展。解决了传统接触式测量方式无法三维全场动态测量，以及常规DIC产品无法进行全周360°全场应变测量的难题。

　　新拓三维多相机数字图像相关DIC技术，可清晰呈现混凝土加压缩加载应力应变集中区域，从而对结构受力变形指标进行快速评估，帮助科研及工程人员判定材料断裂性质，建立起材料在破坏过程中的位移场、应变场和混凝土破坏的联系。