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研索仪器DIC技术在极端条件下的应用

文章解说视频：

现代科技在航空航天、能源、国防等领域的飞速发展，不断将材料和结构推向更严苛的极限环境。传统接触式测量方法在这些条件下往往失效或无法提供足够信息。DIC技术凭借其非接触、全场测量、环境适应性强的核心优势，成为在极端条件下不可或缺的实验力学工具。

研索仪器科技（上海）有限公司基于DIC技术的VIC-3D非接触全场应变测量系统，是来自于全球DIC理论与技术的原创者和领导者——Correlated Solutions公司的科研级DIC测量解决方案，40多年的深耕，造就了VIC-3D系列解决方案卓越且领先于行业的高精度、高稳健性、环境适用性、功能扩展性和极高的计算效率，在各领域极端环境下已有许多成功的应用案例。

海水环境

DIC技术在海水环境下的应用核心挑战在于恶劣的光学条件（如散射、衰减、畸变）、严酷的化学/生物环境（腐蚀、生物污损）以及复杂的水下工程操作。这些挑战严重限制了传统DIC方法的直接应用。但随着专用耐蚀散斑材料、先进水下光学成像技术等不断发展，DIC正逐步克服这些障碍，成为研究水下结构力学行为的强有力工具。

案例一：系泊链在海水环境下氢脆化性能测试

深海平台（如浮式生产平台、钻井平台）通过系泊系统固定于海底，系泊链是连接平台与海底的关键承重构件，需承受各种极端载荷。

海洋环境载荷：海浪、潮汐、洋流引起的动态张力（可达数千吨），台风等极端天气下载荷峰值显著增加。
平台运动载荷：平台在波浪作用下的升沉、横摇、纵摇等运动，导致系泊链承受周期性交变应力。
腐蚀与疲劳协同作用：海水腐蚀介质（Cl⁻、溶解氧等）加速材料表面损伤，与循环应力共同作用引发疲劳裂纹。

应用挑战：

随着油气资源开发向深海（>1500 米）甚至超深海（>3000 米）拓展，系泊链长度和载荷需求呈指数级增长。

随着强度的大幅度提升，氢脆化的敏感性也更加严重，容易在低应力下突发脆性断裂，断裂前无明显塑性变形，难以通过常规力学测试提前预警，是深海系泊链的重大安全隐患。

实验情况：

试验机参数：MTS 810试验机，载荷范围0.25KN-4.25KN，加载频率0.1Hz。
DIC采集参数：DIC拍摄间隔5°，单个循环周期拍摄72张；拍摄时长（连续采集时间）为24小时；图像尺寸4096*3000pixel；曝光时间1ms。
图像参数：FOV（视野）为100*80mm，spatial resolution（空间分辨率）24μm/pixel。
DIC处理参数：Subset（子集）31*31pixel (1σ置信度下0.01像素位移精度)，Step步长5pixel。

实验结果：

海水环境测试5.-试验情况png.png

在氢脆测试过程中，氢原子在表面或近表面区域聚集并结合成氢分子，以气泡形式在样品表面逸出，直接遮挡了散斑，导致最后DIC云图部分缺失(如上图所示)。考虑数据真实性，此处未做插值填充。

深海高压环境

在海平面200m以下深度区域的深海高压环境，DIC技术应用核心挑战是高压对设备完整性和光学路径的破坏性影响，以及水体环境对成像质量的严重劣化。同时，深海高压环境对材料性能产生了显著影响，材料的强度和硬度会因为高压而得到提高，但同时也会降低其韧性和可塑性，因此深海环境下的材料需要具备良好的耐腐蚀性和抗压性，以适应极端的环境条件。

深海高压环境测试1.png

案例二：35MPa水下高压釜拉伸测试

实验情况：

环境与载荷：高压釜设定压力35MPa以模拟3500米的深海环境压力，测试类型为拉伸测试。
力学控制：设置拉伸速度为3.1*10^-5mm/s。
DIC系统配置：观测区域50*40mm；图像分辨率4096*3000pixel；镜头焦距25mm。
图像采集：曝光时间30ms，拍摄帧率为2 Fps。

深海高压环境测试2.png

核心挑战应对：

高压密封与光学窗口：高压釜本身解决了设备耐压和密封的核心问题，为DIC测试提供了安全可靠的环境。
成像质量：使用高分辨率相机、合适的镜头和较长的曝光时间，来对抗高压釜内可能的光线不足问题，确保获取高质量的散斑图像。
测量精度：极慢的加载速度、高空间分辨率以及合适的低帧率相结合，是本次实验设计的精髓。它确保了DIC算法能够以极高的亚像素精度追踪散斑点的运动，从而精确计算出微小的应变。

光学畸变校正：

实验前必须对高压釜的观测窗口引起的畸变进行标定，防止窗口微小变形引入巨大的测量误差。同时，当相机在釜外时，光线需要穿过高压水体、窗口、空气，折射效应显著，必须进行修正。研索仪器VIC-3D系统内置可变光线原点校准功能（Variable Ray Origin（VRO） Calibration），可以很好地解决这些问题。