测量小百科|全局DIC测量在复杂位移与应变计算中的应用

1 什么是全局数字图像相关法测量

有别于基于数字图像局部区域进行相关分析测量（简称局部DIC测量）的方法，全局DIC测量关注整幅数字图像的变形，跟踪变形前后所有像素点的位移关系，获得全场连续的变形信息。

2 全局DIC测量和局部DIC测量区别

• 分析范围，全局DIC测量关注整幅图像的位移场和应变场，一次性获得所有点的位移，更适合处理高梯度，不连续变形场。

• 测量效率，全局DIC测量采用全局相关技术整体匹配，提升了算法的鲁棒性，可处理复杂变形场。局部DIC对子区进行匹配，独立计算，计算效率更高。

• 计算精度，局部DIC测量可达到0.05pixel的精度，适合分析细微的局部变形。但针对既有大应变和小应变的场景，结合局部DIC方法的全局DIC测量表现则更加出色，如图1应变仿真测试（上为局部DIC结果，下为全局DIC测量结果），全局DIC在左侧小应变处理上更加细腻。

图1 局部DIC与全局DIC仿真测试对比图

• 适配应用，全局DIC测量适用于冲击、爆破、裂纹尖端等不连续变形场测量，局部DIC测量则适用于材料局部拉伸实验，焊接基材变形等连续变形场。

3 全局DIC测量技术原理

全局DIC测量的技术原理主要包括全局变形算法和优化算法。

• 全局变形数学模型为：

• 优化算法，DIC相关函数最小化数学模型为：

4 全局DIC测量应用案例

4.1 裂纹尖端位移实验

• 实验概述：拉伸机对水泥圆盘试件进行挤压，直至试件产生裂纹及部分脱落。

• 实验方法：分别采用局部DIC、全局DIC进行测量并比较，结果如下视频。

• 实验结论：局部DIC在裂纹处出现退相关现象无法计算，全局DIC则有效监测裂纹的形成和扩展。得益于平衡细节与整体的光滑处理算法，裂纹尖端和周围应变集中区域也能保持较高的精度，并能准确计算裂纹前后的连续应变场。

4.2 复杂材料压缩应变实验

• 实验概述：拉伸机对复杂材料进行挤压，直至试件出现损伤。

• 实验方法：分别采用局部DIC、全局DIC进行测量并比较，结果如下视频。

• 实验结论：局部DIC测量容易产生空洞，无法分析试件全部受力情况，全局DIC通过整体的位移场计算，捕捉材料挤压过程中产生的全局位移场和应变场，并能有效降低局部噪声对计算结果的影响。

5 总结

复杂位移与应变实验中的测量结果表明，全局DIC具备平滑的全局位移和应变计算能力，同时能够保留应变位移的细节特征。这些优势使得全局DIC在复杂材料测试和损伤分析领域，可为研究人员提供准确可靠的应变与位移信息，为后续工程设计提供有力支持。

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