一、方案背景

在航空航天、汽车制造、能源装备等领域，金属材料需要在高温和复杂应力条件下工作，热变形分析是确保材料可靠性和安全性的重要手段。

金属材料塑性变形阶段，大部分塑性功转化为热能，导致变形过程中温升，如果在动态加载过程中变形速度快，变形速度远超热扩散速度，会产生绝热温升，产生热软化现象而导致材料发生失效。因此，同时监测其温度场及应变场变化，非常具有科研及工程应用意义。

二、温度场与DIC耦合技术原理

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，可将热成像（温度场测量）与光学变形测量（DIC技术）相结合，实现IR红外相机的图像与DIC系统的图像采集同步，然后标定所有三个相机以使得温度和应变数据处于同一坐标系中进行分析，用于研究材料在热变形过程中的热力学和力学行为。

温度场与DIC技术应用的重要性：

无论是使用金属，复合材料，陶瓷还是生物标本，热载荷测试需求对于学术界和商业领域的科研人员和工程师来说都是一个不断增长的领域。

通过IR红外相机可监测试样加热升温过程的加载试验效果，从而精确捕捉金属表面的温度分布。结合DIC数据与红外温度场耦合，可分析高温变化及加载过程试样的热机械行为特征，这是传统点测量（即应变计、偏转仪或热电偶）无法实现的。

三、方案组成、解决的问题和关键指标

本方案采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统。该产品基于数字图像相关DIC技术，结合IR红外相机和温度加载系统，用于热机械科学研究和数据分析。

一个典型的温度/应变耦合测量方案由以下单元组成：

1

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；

2

IR红外相机：高分辨率红外相机（测温范围-20℃~1500℃）：捕捉试样表面温度场分布，精度±1℃；

3

同步触发装置：确保温度与应变数据的时序一致性。

通过本系统可同步分析温度场/应变场耦合数据：温度/应变耦合、温度场、三维位移和变形、三维应变分布。

它利用数字图像相关技术来同时准确测量温度和应变，而无需与试件接触。温度和应变数据可以在整个区域或指定位置进行查看、分析和提取。

DIC与温度场耦合技术关键指标：

• 测温范围高至2000°C

• 同步的红外温度和DIC图像

• 易用的立体标定、建立参数关系

• 精确自动耦合，曲面耦合

• 模拟数据同步

• 可提取FEA验证需要的点、区域或节点位置

• 准确测量变形和温度数据

• 测量3D全场位移和应变

四、方案关键技术和成效

XTDIC三维全场应变测量系统与IR红外相机通过空间坐标系精确匹配，并在高温环境下，温度场与应变场的动态变化同步采集，实现温度、位移、应变三场数据的耦合分析。

关键技术应用

1、温度场耦合：采用立体标定方法，实现DIC相机与红外相机自动精确耦合。

2、多传感器同步触发：通过硬件触发信号，实现DIC与红外相机毫秒级同步采集。

3、高温散斑制备：采用耐高温喷涂散斑，确保高温环境下图案不脱落。

4、耦合分析算法：基于温度补偿模型，将热膨胀效应从机械应变中分离，输出真实应变场数据。

五、实际案例：样品、硬件系统和试验过程

耦合测量方案：本案例展示了金属材料升温过程中的热变形测量。实验目标：应变场和位移场数据的耦合分析。

实验流程：实验过程分为升温过程和降温过程，升温过程中用IR红外相机对被测物整体进行温度图像采集。

降温过程采用DIC和红外相机配合使用，对被测物上的200mm*150mm区域进行数据采集和计算，获取温度场位移场和应变场的耦合数据。

红外相机采集图像

六、实际案例：数据和分析

云图的场数据

从场数据到点数据，对降温过程中被测物产生的变化进行分析，如下是温度变化过程中，云图整体的变化。

不同时间的位移云图

不同时间应变变化云图

不同时间段温度云图

云图中点数据分析

为了让数据更直观，对云图和被测物上不同位置取点进行分析。以下是取点图，点数据为0-1-2-3四个点，点点数据为0-1-2-3四条线段数据。

云图取点位置图

点位移-时间变化曲线

点温度-时间变化曲线

点应变-时间变化曲线

接下来分析点点距离变化的数据，首先0线段实际长度L0为118.3039mm，1号线段为74.4191mm，2号线段为76.4543mm，3号线段为119.9360mm。首先分析每个线段的实际变化量（mm），再分析实际变化量/原长度（线应变）。

点点距离变化量随时间变化曲线

点点距离变化率随时间变化曲线

热载荷特性是力学测试的重要部分，红外相机与数字图像相关（DIC）技术相结合，通过解决图像配准、分辨率、温度影响、数据同步等多方面的技术难点，成功解决了金属在高温环境下温度与应变耦合测量的技术难点，实现更精确的热-力耦合测量，为机械热力学的精确分析提供了一种高效、可靠的解决方案。