DIC技术在金属材料裂纹尖端张开位移（COD）分析中的创新应用

一、案例背景

裂纹监测在工程和科学研究领域有重要意义，主要体现在预防结构失效延长使用寿命，评估新材料的强度、韧性和疲劳特性，复杂极端环境下的工程研究等方面。

在金属结构的安全性评估中，裂纹尖端张开位移（Crack Opening Displacement, COD）是衡量材料断裂韧性和裂纹扩展行为的关键参数。

传统的裂纹监测，采用应变片、COD规（裂纹开口位移计）和光学显微镜等方法，存在局部测量、接触式影响和实时监测的局限，难以全面捕捉裂纹扩展的全过程。行业亟需一款可高精度、高效率监测动态裂纹张开位移的非接触全场测量方案。

二、DIC原理、技术对比和重要性

新拓三维基于位移场提取COD、DIC全场应变测量及裂纹尖端定位方法等关键技术，全新推出了高效、非接触的裂纹张开位移（COD）监测解决方案。

DIC测量方案能够全面、精准地计算裂纹部位的张开位移，以此确定原始裂纹部位张开位移（COD值），显著提升了监测精度和测试效率，适用于各种复杂结构和材料的裂纹研究与工程应用。

1：与其他技术的对比

1、传统方法（如夹式引伸计、应变片）：仅单点测量，空间分辨率低。

2、COD规（裂纹开口位移计）和光学显微镜：需接触试样，仅限局部监测，且无法实时监测。

3、有限元模拟：需DIC提供实验数据，验证数值模型的准确性。

2：DIC技术的优势

1、非接触式测量：避免传统接触式传感器（如引伸计）对裂纹扩展的干扰。

2、全场信息：捕捉裂纹周围全场位移/应变分布，分析原始裂纹部位张开位移（COD值）。

3、高时空分辨率：适用于动态裂纹扩展（如冲击载荷）的实时监测。

4、兼容复杂条件：可在高温、腐蚀环境或微观尺度（显微DIC）下使用。

三、金属材料裂纹张开位移（COD）试验

在DIC分析中，散斑的形成和质量对结果的精确性至关重要。新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统自带散斑评估系统，具有分析散斑对比度、图像梯度质量的功能，并以此推荐子集大小，更有利于使用DIC软件选择散斑域，实现更高质量的DIC数据分析。

在预制裂纹的试样上，标定裂纹尖端位置。使用XTDIC三维全场应变测量系统高分辨率相机（双目立体系统）记录裂纹扩展过程的图像序列。同步加载设备（万能试验机）施加力学载荷，载荷、位移与图像采集严格同步。

DIC软件对裂纹张开位移（COD）的提取，通过位移不连续性或应变集中区域识别裂纹路径，沿裂纹路径法线方向，提取两侧位移差，在裂纹尖端后方（如1mm）处取平均值作为COD值。

DIC软件对COD进行定量分析：分析时间-裂尖位置，时间-裂纹开口，时间-张开距离，位置-张开距离。

为了跟踪裂纹随时间的演化，XTIDC三维全场应变测量系统可计算对应参考图像（第一图像）和畸变图像之间的差值，并针对每个评估点进行相关性计算，通过测量残差分析裂纹尖端的位置。

裂尖位置分析

DIC软件分析裂纹动态变化过程的应变场变化：

裂纹最大主应变

DIC软件分析裂纹动态变化过程的位移场云图：

裂纹位移云图

四、案例应用总结

新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统，基于三维数字图像相关可提供三维位移场和应变场，裂纹COD分析模块功能可计算裂纹部位的张开位移，以此确定裂纹张开位移（COD）的值，实时可视化监测裂纹的进展，结合断裂力学理论（如J积分、CTOD准则）评估材料断裂韧性，极大提升了识别精度和计算速度，为材料破坏机制研究提供了关键数据支持。