一、實驗背景
焊接接頭是建筑鋼構、橋梁等受交變載荷工程結構的典型薄弱環(huán)節(jié)。據統(tǒng)計，70%以上的焊接結構失效源于疲勞損傷（如焊縫裂紋擴展）。
在實際建筑工程中，金屬焊接件節(jié)點常承受多軸復雜應力（如地震、風振等動態(tài)載荷），而焊接區(qū)域在拉-扭耦合作用下的多軸應變分配特性未知，亟需高精度全場變形測量技術驗證。
二、DIC原理、技術對比和重要性
試驗采用XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)，對焊接試樣進行扭轉疲勞測試，通過全場動態(tài)應變監(jiān)測，焊接區(qū)域在扭轉載荷下的疲勞損傷和裂紋發(fā)展情況，進一步分析試樣的疲勞特性。其優(yōu)勢在于非接觸性、高時空分辨率及與多物理場耦合分析的潛力。
對比項 | DIC技術方案 | 常規(guī)應變片方案 |
測量方式 | 非接觸式測量，可用于各類復雜工況 | 扭轉工況下，接觸式傳感器易脫落，數據可靠性低 |
數據維度 | 全場應變（空間連續(xù)分布） | 離散點測量（單點/多通道） |
多軸應變解耦 | 同步輸出軸向、剪切、主應變等分量 | 需布置多組應變片，無法確保同步性 |
裂紋檢測靈敏度 | 可識別微米級微裂紋對應的應變集中區(qū) | 依賴電阻值突變，滯后于實際裂紋擴展 |
熱效應關聯(lián)分析 | 同步溫度場-應變場映射 | 無法直接關聯(lián)熱力耦合效應 |
DIC 技術在循環(huán)加載疲勞中的應用
（1）動態(tài)應變監(jiān)測
?高頻響應：可搭配不同采集頻率相機，捕捉循環(huán)加載中快速變化的應變場（如裂紋擴展瞬間的應變突變）。
?同步控制：與試驗機聯(lián)動，實現(xiàn)加載階段與圖像采集的精確同步。
（2）疲勞損傷識別
?早期損傷檢測：通過應變場不均勻性識別微裂紋萌生（如局部應變集中區(qū)域）。
?裂紋擴展追蹤：實時測量裂紋長度、寬度及擴展方向，計算裂紋擴展速率。
（3）疲勞壽命預測
?全場應變數據：結合有限元（FE）模型或疲勞損傷模型，預測材料及試樣疲勞及載荷壽命。
?多尺度分析：從宏觀應變分布，關聯(lián)微觀損傷機制。
三、DIC方案組成和關鍵指標
DIC測量系統(tǒng)：包含相機、光源、標定板和標定裝置、制斑套裝以及軟件；
DIC測量系統(tǒng) | 技術參數與功能設計 | 適用性分析 |
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，單像元分辨率≈20μm |
紅外相機耦合系統(tǒng) | 同步采集溫度場與三維坐標場（熱-力耦合分析） | 監(jiān)測疲勞溫升對局部應變的影 |
藍光LED照明 | 低熱干擾光源，適配散斑反射特性 | 增強散斑對比度，抑制環(huán)境光干擾 |
相移觸發(fā)采集 | 匹配0.5Hz疲勞周期，精準同步載荷峰值時刻采集圖像 | 消除運動模糊，提升位移計算精度 |
在拉伸-扭轉復合疲勞載荷下，DIC技術實時監(jiān)測焊縫及打磨區(qū)域的軸向應變與剪切應變分布演變特性，量化疲勞損傷進程。
四、試驗過程：工字型焊接試樣扭轉疲勞測試
研究對象: 焊接金屬試樣（工字型類圓柱結構，總尺寸120mm×60mm，焊縫及打磨區(qū)域約50mm×50mm）
加載頻率：扭轉疲勞加載試驗，進行8500多個循環(huán)加載周期，XTDIC三維全場應變測量系統(tǒng)采用0.5Hz疲勞周期分析加載頻率。
數據處理和分析
疲勞機控制器輸出TTL信號觸發(fā)DIC系統(tǒng)按0.5Hz間隔采集，DIC系統(tǒng)全場數據采集持續(xù)記錄8500次循環(huán)，提取關鍵階段圖像進行分析。
根據用戶需求，從多個應變類型和位移數據，去分析疲勞實驗中試樣不同時期的變化情況。
焊接圓柱試樣位移云圖
焊接圓柱試樣剪切應變云圖
軸向應變云圖
五、試驗結果數據分析
1、位移非對稱性：試樣左側與右側位移數據，表明焊接區(qū)域剛度偏差；
2、高剪切應變區(qū)（紅色）沿焊縫熔合線呈帶狀分布，且在循環(huán)加載中逐漸擴大。
3、打磨區(qū)保護效應：打磨區(qū)域軸向應變較小，表面處理有效降低了應力集中。
4、焊縫形狀優(yōu)化：熔合線處應變集中明顯，建議采用漸變過渡設計（如增加倒角半徑）以分散應力；
5、多軸疲勞評估：軸向應變主導損傷，但剪切應變的局部突變不容忽視，測試數據有助于復合載荷特性分析。