数字图像相关DIC技术在汽车动力学风洞试验中的应用

随着汽车工业的发展和市场的完善，消费者对汽车品质要求越来越高，流致结构振动与气动变形问题广泛存在于汽车工业中，成为影响汽车经济性、舒适性和安全性的重要问题。

汽车风洞试验通过模拟汽车在道路行驶过程中的变形细节，了解车身刚度和抗风变形能力，有助于分析汽车的运动性能。测量车身变形对于改进汽车高速行驶过程中车内噪音控制、引擎盖受力情况分析、车门受风变形分析提供了很好的数据支撑。尤其是减少车身重量使用的新型材料，验证能否满足设计需求。

新拓三维自主研发的XTDIC三维全场应变测量系统，其核心技术是数字图像关联和跟踪（Digital Image Correlation），采用跟踪和图像配准技术，对图像变化进行准确的 2D 和 3D 测量，常用于测量多点振动以及全场位移和应变，能够准确地测量汽车部件在风洞加载条件下的瞬时三坐标变化，可实现无接触式测量车门、柱梁、机舱盖等位置因气动力作用下的动态变形量，单个标记点可以代替三个方向的位移传感器，测量结果可视化，帮助研发人员更好地了解车身的变形与运动特性。

传统测试方式的局限

在高速行驶状态下，汽车表面承受着巨大的气动载荷，微小的结构变形不仅影响气动性能、风噪水平，更关乎车辆操控稳定性与安全边界。风洞实验是模拟这一严苛环境的核心手段，然而传统接触式测量手段却有着诸多局限性：

1、离散采样陷阱

应变片/位移计覆盖不足且需要复杂的布线，易导致关键变形区域漏检

2、动态响应局限

接触式传感器难以捕捉高频气动激振；LVDT等位移计在强气流中产生附加风振干扰

3、空间维度缺失

单点仪器仅提供一个方向位移数据，偏转角度分析可能得不到理想的数据

4、数据维度

单点测试数据，无法可视化清晰呈现

DIC技术应用的重要性

数字图像相关（DIC）技术在此场景下展现出不可替代的价值：

• 全场测量：突破单点局限，获取覆盖整个关注区域（如车门、引擎盖、A柱、尾翼）的密集变形数据，揭示变形分布规律与运动特性。
• 非接触无损：仅需在车身粘贴标志点，不干扰结构本身与流场特性，保证测量结果真实反映气动载荷作用。
• 动态高频捕捉：高速相机加持下，可精确记录瞬态变形过程（如气流分离引发的振动），捕捉动态细节。
• 三维形貌与位移：通过立体视觉原理，直接获取标志点的三维空间坐标变化，计算三维位移场与应变场，提供全面力学信息。
• 量化验证与优化：为CFD仿真提供关键的实验验证数据，驱动车身刚度优化、空气动力学套件设计及NVH性能提升。

汽车风洞试验变形测量

实验采用XTDIC三维全场应变测量系统，搭配2000万像素高速相机，20帧采样频率，测量汽车在风洞内的变形情况，风速100m/s。

测点部署

通过在汽车表面粘贴标志点，能够准确分析在风洞环境下汽车结构的三坐标变化。

另外，如要消除汽车在风洞中的刚体位移，可利用粘贴在侧边的参考点，消除汽车在风洞中整体的刚性位移，能够得到更加准确的测试结果。

动态数据采集

风速从0加速至100m/s过程中，DIC系统高速相机以20帧采样频率持续采集图像

基于DIC系统高速相机采集的图像数据，DIC软件经过立体匹配、三维重建，获取标志点的三维坐标。

汽车风洞试验测量数据结果

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，可分析三维坐标、三维运动和变形、三维速度、三维加速度、6个自由度（6DoF）测量等，获得高精度、高重复性的测量结果，助力客户深入了解零件的动态变形特征，缩短产品开发周期，提高效率。

1、数据分析

汽车风洞内左前门框 A 柱区域动态变形量测试，主要分析3个测量靶点；为了准备分析在风洞中的变形情况，DIC软件对图像数据抽稀处理，分析整体变形趋势，提高处理效率。

2、位移云图展示

如图所示，DIC软件可以输出XYZ三个方向和空间整体的位移情况，直观显示三个目标靶点的变形量，箭头代表运动方向，长短及颜色代表位移数值大小。

3、总体位移分析

汽车左前门框 A 柱区域三个点的变形趋势一致，上升—保持—上升—保持—下降，位移量数值有所区别。

目标靶点0总位移如下图所示：

目标靶点1总位移如下图所示：

目标靶点2总位移如下图所示：

4、Z向位移差分析

分析车左前门框 A 柱区域在高速气流下呈现微小的向上拱起（Z向正位移）。

以点0为基准，分析点1相对于点0的Z向位移差

以点0为基准，分析点2相对于点0的Z向位移差

以点1为基准，分析点2相对于点0的Z向位移差

通过空气动力学风洞实验室，模拟汽车行驶的运动状态，使用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，对车身外结构进行动态变形量，只需要在车身表面目标靶点/散斑，DIC设备按照标准距离摆放，既可开始采集图像进行全场位移测量，整个布置过程简单方便，极大地节省了时间和成本，为行业内提供了快速、便捷的测试方法。DIC技术适用于各种零件，采用非接触式的测量方法，快速获得位移和变形信息，结合科学有效的仿真方法，分析动态变形产生的原因，有助于解决流致结构振动与变形等行业问题。