全场变形可视化：DIC技术用于结构梁弯曲变形力学实验

实验背景

工程结构力学性能实验，采用工程构件加载方式，测量结构或构件的内力、变形、转角、支座位移、频率、振幅等，用以核对其设计要求或检验其是否安全可靠，并为探索结构新领域和发展工程结构理论的手段和基础。

梁是工程结构中应用最广泛的承力构件之一，其主要承受弯矩作用。进行梁的弯曲力学实验，可以验证理论模型，评估材料与结构力学性能，并揭示其在材料非线性、大变形或复杂边界条件下的局限性，指导工程设计规范与优化。

为研究动荷载作用下对结构梁力学性能的影响，通过弯曲加载，对其抗弯性能进试验探究，某研究所采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，获取位移场、应变场、以及关键区域点位移/应变曲线。通过引入DIC技术方法开展结构梁弯曲变形实验，可实现横力弯曲变形特点的可视化测量与呈现。

结构梁弯曲实验

以结构梁弯曲实验为对象，探究梁在弯曲加载下的变形与应变行为。实验过程中，使用DIC高分辨率相机对梁表面进行连续拍摄，获取其在加载过程中的图像序列，为后续的位移场与应变场分析提供数据基础。

DIC技术应用必要性

在传统工程结构力学试验中，常用的方法如应变片测量、挠度计测量等，存在如下问题：测量点有限、测量精度受限、无法全面反映结构变形的全场特征。

• 传统方法难以全面获取梁的变形全场信息；
• 无法有效识别梁的局部应变集中区域；
• 难以准确获取加载过程中梁的挠度变化与应变发展规律。

梁弯曲中看似主要是面内变形，但离面位移(W)数据至关重要。新拓三维双目立体DIC技术能够同时、同点测量面内位移和离面位移，提供完整的三维变形矢量，为理解复杂变形模式（如扭曲）提供关键信息。

在梁弯曲实验中分析离面位移：

• 靠近加载点或支撑点（局部挤压）。
• 非对称加载或截面。
• 屈曲发生时。
• 评估横向泊松效应。

因此，DIC技术在梁弯曲实验中具有显著的应用价值，能够弥补传统方法的不足，为结构力学性能研究提供更全面的实验依据。

实验过程与结果

实验准备

散斑制作：在梁的表面喷涂随机散斑图案，以提供DIC算法所需的特征点。

实验装置：搭建梁的弯曲实验装置

相机设置：架设XTDIC三维全场应变测量系统，同时调整拍摄角度和焦距以适应实验需求。

数据采集：在加载过程中，DIC双目相机实时记录梁表面的图像序列，同时记录加载力或位移数据。

实验结果分析

通过新拓三维DIC软件对图像序列进行处理，获取位移场和应变场；通过提取关键点位移与应变数据，绘制位移-应变曲线，分析结构梁在加载过程中关键区域的变形与应变变化。

结构梁位移云图

全场挠度分布：位移云图清晰展示，梁从加载点向支座方向的变形梯度，如加载点附近位移最大，支撑点附近位移较小。

结构梁应变云图

全场应变动态响应：应变场云图显示，结构梁弯曲支撑点附近、弯曲受压区域为最大应变区域，梁的上表面为压缩应变，下表面为拉伸应变，应变云图可精确定位应力集中区。

位移曲线图

通过提取结构梁关键点位移数据，绘制在载荷变化过程中的位移曲线，分析线性阶段斜率（刚度），非线性阶段起始点对应荷载，预示材料进入塑性。

应变曲线图

结构梁关键点应变曲线显示，梁的变形过程分为弹性阶段和塑性阶段，加载初期位移与应变呈线性关系，后期出现非线性变化。

实验总结与价值

通过DIC技术在梁弯曲实验中的应用，成功获取了梁的全场位移场和应变场，全面分析了梁的变形与应变分布特征。实验结果表明，DIC技术能够有效解决传统实验方法在测量点数、测量精度和全场信息获取方面的不足，为工程结构力学性能研究提供了重要支持。

实验结果不仅验证了梁的力学理论，还为结构设计优化和有限元模拟提供了实验依据。未来，DIC技术在工程结构力学试验中的应用将更加广泛，为结构安全性和可靠性研究提供更强大的技术支持。