一、实验背景
焊接接头是建筑钢构、桥梁等受交变载荷工程结构的典型薄弱环节。据统计，70%以上的焊接结构失效源于疲劳损伤（如焊缝裂纹扩展）。
在实际建筑工程中，金属焊接件节点常承受多轴复杂应力（如地震、风振等动态载荷），而焊接区域在拉-扭耦合作用下的多轴应变分配特性未知，亟需高精度全场变形测量技术验证。
二、DIC原理、技术对比和重要性
试验采用XTDIC三维全场应变测量系统，对焊接试样进行扭转疲劳测试，通过全场动态应变监测，焊接区域在扭转载荷下的疲劳损伤和裂纹发展情况，进一步分析试样的疲劳特性。其优势在于非接触性、高时空分辨率及与多物理场耦合分析的潜力。
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对比项 |
DIC技术方案 |
常规应变片方案 |
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测量方式 |
非接触式测量，可用于各类复杂工况 |
扭转工况下，接触式传感器易脱落，数据可靠性低 |
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数据维度 |
全场应变（空间连续分布） |
离散点测量（单点/多通道） |
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多轴应变解耦 |
同步输出轴向、剪切、主应变等分量 |
需布置多组应变片，无法确保同步性 |
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裂纹检测灵敏度 |
可识别微米级微裂纹对应的应变集中区 |
依赖电阻值突变，滞后于实际裂纹扩展 |
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热效应关联分析 |
同步温度场-应变场映射 |
无法直接关联热力耦合效应 |
DIC 技术在循环加载疲劳中的应用
（1）动态应变监测
•高频响应：可搭配不同采集频率相机，捕捉循环加载中快速变化的应变场（如裂纹扩展瞬间的应变突变）。
•同步控制：与试验机联动，实现加载阶段与图像采集的精确同步。
（2）疲劳损伤识别
•早期损伤检测：通过应变场不均匀性识别微裂纹萌生（如局部应变集中区域）。
•裂纹扩展追踪：实时测量裂纹长度、宽度及扩展方向，计算裂纹扩展速率。
（3）疲劳寿命预测
•全场应变数据：结合有限元（FE）模型或疲劳损伤模型，预测材料及试样疲劳及载荷寿命。
•多尺度分析：从宏观应变分布，关联微观损伤机制。
三、DIC方案组成和关键指标
DIC测量系统：包含相机、光源、标定板和标定装置、制斑套装以及软件；
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DIC测量系统 |
技术参数与功能设计 |
适用性分析 |
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XTDIC-5M双目系统 |
2448×2048分辨率，75Hz帧率，配备100mm镜头 |
覆盖50mm视场，单像元分辨率≈20μm |
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红外相机耦合系统 |
同步采集温度场与三维坐标场（热-力耦合分析） |
监测疲劳温升对局部应变的影 |
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蓝光LED照明 |
低热干扰光源，适配散斑反射特性 |
增强散斑对比度，抑制环境光干扰 |
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相移触发采集 |
匹配0.5Hz疲劳周期，精准同步载荷峰值时刻采集图像 |
消除运动模糊，提升位移计算精度 |
在拉伸-扭转复合疲劳载荷下，DIC技术实时监测焊缝及打磨区域的轴向应变与剪切应变分布演变特性，量化疲劳损伤进程。
四、试验过程：工字型焊接试样扭转疲劳测试
研究对象: 焊接金属试样（工字型类圆柱结构，总尺寸120mm×60mm，焊缝及打磨区域约50mm×50mm）
加载频率：扭转疲劳加载试验，进行8500多个循环加载周期，XTDIC三维全场应变测量系统采用0.5Hz疲劳周期分析加载频率。
数据处理和分析
疲劳机控制器输出TTL信号触发DIC系统按0.5Hz间隔采集，DIC系统全场数据采集持续记录8500次循环，提取关键阶段图像进行分析。
根据用户需求，从多个应变类型和位移数据，去分析疲劳实验中试样不同时期的变化情况。
焊接圆柱试样位移云图
焊接圆柱试样剪切应变云图
轴向应变云图
五、试验结果数据分析
1、位移非对称性：试样左侧与右侧位移数据，表明焊接区域刚度偏差；
2、高剪切应变区（红色）沿焊缝熔合线呈带状分布，且在循环加载中逐渐扩大。
3、打磨区保护效应：打磨区域轴向应变较小，表面处理有效降低了应力集中。
4、焊缝形状优化：熔合线处应变集中明显，建议采用渐变过渡设计（如增加倒角半径）以分散应力；
5、多轴疲劳评估：轴向应变主导损伤，但剪切应变的局部突变不容忽视，测试数据有助于复合载荷特性分析。
