一、實(shí)驗(yàn)背景
焊接接頭是建筑鋼構(gòu)、橋梁等受交變載荷工程結(jié)構(gòu)的典型薄弱環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的焊接結(jié)構(gòu)失效源于疲勞損傷（如焊縫裂紋擴(kuò)展）。
在實(shí)際建筑工程中，金屬焊接件節(jié)點(diǎn)常承受多軸復(fù)雜應(yīng)力（如地震、風(fēng)振等動(dòng)態(tài)載荷），而焊接區(qū)域在拉-扭耦合作用下的多軸應(yīng)變分配特性未知，亟需高精度全場(chǎng)變形測(cè)量技術(shù)驗(yàn)證。
二、DIC原理、技術(shù)對(duì)比和重要性
試驗(yàn)采用XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)焊接試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)疲勞測(cè)試，通過全場(chǎng)動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)，焊接區(qū)域在扭轉(zhuǎn)載荷下的疲勞損傷和裂紋發(fā)展情況，進(jìn)一步分析試樣的疲勞特性。其優(yōu)勢(shì)在于非接觸性、高時(shí)空分辨率及與多物理場(chǎng)耦合分析的潛力。
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對(duì)比項(xiàng) |
DIC技術(shù)方案 |
常規(guī)應(yīng)變片方案 |
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測(cè)量方式 |
非接觸式測(cè)量，可用于各類復(fù)雜工況 |
扭轉(zhuǎn)工況下，接觸式傳感器易脫落，數(shù)據(jù)可靠性低 |
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數(shù)據(jù)維度 |
全場(chǎng)應(yīng)變（空間連續(xù)分布） |
離散點(diǎn)測(cè)量（單點(diǎn)/多通道） |
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多軸應(yīng)變解耦 |
同步輸出軸向、剪切、主應(yīng)變等分量 |
需布置多組應(yīng)變片，無(wú)法確保同步性 |
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裂紋檢測(cè)靈敏度 |
可識(shí)別微米級(jí)微裂紋對(duì)應(yīng)的應(yīng)變集中區(qū) |
依賴電阻值突變，滯后于實(shí)際裂紋擴(kuò)展 |
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熱效應(yīng)關(guān)聯(lián)分析 |
同步溫度場(chǎng)-應(yīng)變場(chǎng)映射 |
無(wú)法直接關(guān)聯(lián)熱力耦合效應(yīng) |
DIC 技術(shù)在循環(huán)加載疲勞中的應(yīng)用
（1）動(dòng)態(tài)應(yīng)變監(jiān)測(cè)
?高頻響應(yīng)：可搭配不同采集頻率相機(jī)，捕捉循環(huán)加載中快速變化的應(yīng)變場(chǎng)（如裂紋擴(kuò)展瞬間的應(yīng)變突變）。
?同步控制：與試驗(yàn)機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)加載階段與圖像采集的精確同步。
（2）疲勞損傷識(shí)別
?早期損傷檢測(cè)：通過應(yīng)變場(chǎng)不均勻性識(shí)別微裂紋萌生（如局部應(yīng)變集中區(qū)域）。
?裂紋擴(kuò)展追蹤：實(shí)時(shí)測(cè)量裂紋長(zhǎng)度、寬度及擴(kuò)展方向，計(jì)算裂紋擴(kuò)展速率。
（3）疲勞壽命預(yù)測(cè)
?全場(chǎng)應(yīng)變數(shù)據(jù)：結(jié)合有限元（FE）模型或疲勞損傷模型，預(yù)測(cè)材料及試樣疲勞及載荷壽命。
?多尺度分析：從宏觀應(yīng)變分布，關(guān)聯(lián)微觀損傷機(jī)制。
三、DIC方案組成和關(guān)鍵指標(biāo)
DIC測(cè)量系統(tǒng)：包含相機(jī)、光源、標(biāo)定板和標(biāo)定裝置、制斑套裝以及軟件；
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DIC測(cè)量系統(tǒng) |
技術(shù)參數(shù)與功能設(shè)計(jì) |
適用性分析 |
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XTDIC-5M雙目系統(tǒng) |
2448×2048分辨率，75Hz幀率，配備100mm鏡頭 |
覆蓋50mm視場(chǎng)，單像元分辨率≈20μm |
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紅外相機(jī)耦合系統(tǒng) |
同步采集溫度場(chǎng)與三維坐標(biāo)場(chǎng)（熱-力耦合分析） |
監(jiān)測(cè)疲勞溫升對(duì)局部應(yīng)變的影 |
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藍(lán)光LED照明 |
低熱干擾光源，適配散斑反射特性 |
增強(qiáng)散斑對(duì)比度，抑制環(huán)境光干擾 |
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相移觸發(fā)采集 |
匹配0.5Hz疲勞周期，精準(zhǔn)同步載荷峰值時(shí)刻采集圖像 |
消除運(yùn)動(dòng)模糊，提升位移計(jì)算精度 |
在拉伸-扭轉(zhuǎn)復(fù)合疲勞載荷下，DIC技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫及打磨區(qū)域的軸向應(yīng)變與剪切應(yīng)變分布演變特性，量化疲勞損傷進(jìn)程。
四、試驗(yàn)過程：工字型焊接試樣扭轉(zhuǎn)疲勞測(cè)試
研究對(duì)象: 焊接金屬試樣（工字型類圓柱結(jié)構(gòu)，總尺寸120mm×60mm，焊縫及打磨區(qū)域約50mm×50mm）
加載頻率：扭轉(zhuǎn)疲勞加載試驗(yàn)，進(jìn)行8500多個(gè)循環(huán)加載周期，XTDIC三維全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)采用0.5Hz疲勞周期分析加載頻率。
數(shù)據(jù)處理和分析
疲勞機(jī)控制器輸出TTL信號(hào)觸發(fā)DIC系統(tǒng)按0.5Hz間隔采集，DIC系統(tǒng)全場(chǎng)數(shù)據(jù)采集持續(xù)記錄8500次循環(huán)，提取關(guān)鍵階段圖像進(jìn)行分析。
根據(jù)用戶需求，從多個(gè)應(yīng)變類型和位移數(shù)據(jù)，去分析疲勞實(shí)驗(yàn)中試樣不同時(shí)期的變化情況。
焊接圓柱試樣位移云圖
焊接圓柱試樣剪切應(yīng)變?cè)茍D
軸向應(yīng)變?cè)茍D
五、試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析
1、位移非對(duì)稱性：試樣左側(cè)與右側(cè)位移數(shù)據(jù)，表明焊接區(qū)域剛度偏差；
2、高剪切應(yīng)變區(qū)（紅色）沿焊縫熔合線呈帶狀分布，且在循環(huán)加載中逐漸擴(kuò)大。
3、打磨區(qū)保護(hù)效應(yīng)：打磨區(qū)域軸向應(yīng)變較小，表面處理有效降低了應(yīng)力集中。
4、焊縫形狀優(yōu)化：熔合線處應(yīng)變集中明顯，建議采用漸變過渡設(shè)計(jì)（如增加倒角半徑）以分散應(yīng)力；
5、多軸疲勞評(píng)估：軸向應(yīng)變主導(dǎo)損傷，但剪切應(yīng)變的局部突變不容忽視，測(cè)試數(shù)據(jù)有助于復(fù)合載荷特性分析。
