在采矿工程、材料科学与工程、交通工程和安全防护等领域，掌握材料在高速冲击或爆炸等动态载荷下的行为特征对于相关领域的工程设计、产品开发和爆破有害效应控制均具有重要的指导意义。
目前室内研究材料动态力学行为的常见设备为分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB），用于分析各类材料在高应变率（102~104 s-1）下的动态力学特征（臧小为，2011）。传统SHPB测试装置通过贴在入射杆和透射杆的应变片信号，结合一维应力波理论间接推导材料的动态应力—应变关系。试验过程中，材料与杆之间的摩擦力以及惯性力会影响材料的真实受力（Kajberg et al.，2007），导致材料自身的真实变形过程无法准确呈现。范亚夫等（2015）通过铝合金的动态拉伸性能试验证实，电测方法所测得的材料变形与实际变形存在差异。常用的应变测量方法分别有电阻应变片法（Gilat et al.，2009）、半导体应变片法（宋力等，2006）和PVDF压电计法（席道瑛等，1995；郭弦等，2015），这些接触式测量方法不仅要求应变片与杆之间具有良好的黏附性，而且对材料的断裂和破坏分析只能通过后效观察，无法反映材料变形的过程特征。此外，这些方法对于高应变率下微小尺寸材料的变形测量精度不高，也无法在直径小于3 mm的杆中使用应变片。
1 测量原理
1.1 SHPB测量原理
典型的SHPB试验装置主要包括动力系统、弹性压杆系统和测量系统，如图1所示。SHPB测量原理是将试件夹置在入射杆和透射杆之间，通过动力系统撞击入射杆，利用应变片A 1和A 2记录沿传力杆传播的脉冲信号，再根据一维应力波理论和应力平衡假定计算试件应力、应变率和应变，计算公式（Ravichandran et al.，1995；王礼立，2005；傅华等，2014；杨山伟，2018）表示为
式中： 为试件的平均应力（Pa）； 为杆的横截面积（m2）； 为试样的横截面积（m2）； 、 和 分别为入射、反射和透射脉冲（Pa）； 为试件的平均应变率； 、 和 分别为入射、反射和透射速度（m/s）； 为试件的长度（m）； 为平均应变； 、 指应变片1和应变片2。
1.2 DIC测量原理
DIC技术是通过光电摄像机或数码相机采集图像并数字化，对比材料表面的散斑变化，对选定区域进行匹配运算，进而得出相应的应变场和位移场（Zhou et al.，2024）。DIC基本原理如图2所示，以参考图像上的 为中心点，选取（2M+1）×（2M+1）的参考子图像，通过函数匹配和相关算法获得具有最大相关性的变形子图像，变形子图像中 是参考子图像 的对应点。两点之间的函数关系式（韩红亮等，2022）表示为
式中：u、v分别为参考自图像中的P点在x和y方向上的位移（单位：mm）； 、 、 和 为参考子区的位移梯度。
式中： ，
， 、 分别为参考子图像和变形子图像子区的平均灰度； 为参考子图像中点 的灰度； 为目标子图像中点 的灰度。
2 不同材料的DIC动态测试方法
2.1 散斑制作方法
DIC对于表面具有良好纹理和对比度的材料更容易进行测量，但有些材料表面是非均匀、无纹理和高反射率的。例如，有些金属表面反射率过高，由多种组分组成的复合材料表面比较光滑且缺乏明显的纹理，混凝土和石材的颗粒分布不均匀等。这些表面特征对DIC中散斑的质量具有明显的影响，而散斑的质量会直接影响DIC测量的结果。
目前在DIC测试中制作散斑常用的方法有喷枪、喷涂料和记号笔等，这些制作方法可以提高对比度，但重复操作性较差、操作较为复杂且对试件具有一定的伤害，特别是对于一些耐腐蚀性较差的材料。为此，学者们利用计算机设计数字高质量散斑图像，再通过其他方法将其转移或复制到被测材料表面，此方法在理论上适用于所有材料，且可重复操作性较好，每次转移相同的数字散斑场，得到的试验散斑是一致的。通过直接转移和间接打印方式制作散斑的方法一般有丝网印刷、水转印和光敏印章复制等（陈振宁，2018）。然而，印刷和水转印等方法对时间和材料的损失是不可避免的，且应用场景和条件存在一定的局限性（Thai et al.，2022）。Zhang et al.（2023）根据岩石表面深层纹理特征信息，通过局部二元模型在岩石表面建立LBP高质量数字散斑场，很好地弥补了传统散斑、印刷和水转印等方法的固有缺陷，图3所示是基于表面纹理信息的岩石变形测量方法的步骤。未来，基于表面纹理特征信息制作散斑的方法具有广泛的应用前景。为实现这一目标，需综合考虑材料表面的粗糙度、反射率和折射率等关键因素，并根据目标材料的特性进行针对性调整与优化。通过设计合理的标记点或斑纹布局，可以获得更贴近实际效果的散斑图像，从而提升整体应用性能。
图3 基于表面纹理信息的岩石变形测量方法的步骤（Zhang et al.，2023）method of rocks based on surface texture information（Zhang et al.，2023） Fig.3 Procedure of the deformation measurement |
2.2 材料力学性质对DIC测量的影响
不同材料的力学特性不同，在高应变率下会有不同的动态力学响应。对于金属材料而言，其在高应变率下表现出显著的应变率依赖性，如应变硬化（朱正洪等，2024）和热软化效应（Huang et al.，2016），DIC系统必须能够在极短的时间尺度内准确测量应变分布，这对图像捕捉的帧率和分析算法的实时处理能力提出了较高的要求；许多金属材料在宏观上表现为各向同性，但在微观结构（如晶粒）层面可能存在各向异性（Dai et al.，2020），DIC分析需要识别并量化这种微观尺度的各向异性。对于聚合物而言，其在高应变率下常表现出大范围的非线性变形（罗鑫等，2014），包括黏弹性和塑性行为，DIC系统需要应对这种非线性响应，并提供精确的全场应变分布；此外，许多聚合物对温度变化敏感，可能在试验过程中由于内部摩擦和塑性变形产生热量，DIC分析需要考虑这种温度效应对材料响应的影响。对于复合材料而言，其应力—应变响应极其复杂，涉及纤维（冻瑞岚等，2023）、基体（聂明明等，2023）和界面（佘欢等，2024）的相互作用，DIC技术必须能够区分这些不同成分的贡献，并准确测量各向异性的应变分布。因此，构建不同材料在高应变率下的本构模型至关重要。在此基础上，结合材料特性和试验条件，自动调整参数并优化DIC算法，包括提升时间分辨率、优化动态时间窗口等，以实现对各类材料高速变形过程的精确追踪。
3 DIC技术在SHPB试验中的发展与应用
20世纪80年代初期，DIC方法分别由日本学者Yamaguchi （1981）和美国学者Peters et al.（1982）独立提出。1981年，Yamaguchi（1981）确定了散斑位移与物体变形量之间的关系，提出一种测量物体微小变形的方法；1982年，Perters et al.（1982）提出用数字散斑相关方法测量物体位移，通过物体变形前后的散斑图，对相关性位移和导数进行迭代，找到相关系数的极值，进而算出散斑位移场，得到物体的位移量。直至1990年，中国科学技术大学的Han et al.（1990）才将DIC应用到SHPB试验中，并测得了不同时刻下碳钢和铝合金受冲击荷载产生的应变场，图4所示为SHPB结合DIC的测量示意图。从此，DIC技术在SHPB试验中的应用越来越广泛。
图4 SHPB结合DIC的测量系统示意图（杨仁树等，2020）of SHPB combined with DIC（Yang et al.，2020） Fig.4 Schematic diagram of measurement system |
3.1 应变和位移的测量
借助DIC技术，通过对材料表面图像的精确分析、比对和匹配运算，能够准确获取位移和应变的相关信息。范亚夫等（2015）通过DIC技术真实记录了铝合金在SHPB动态拉伸下裂纹的起裂、扩展和失稳过程，克服了传统应变片不能测量位移的缺点。Pandya et al.（2019）在SHPB试验中分别使用应变片和 2D-DIC 技术测量5种生物复合材料在不同加载率下的应变—时间历史，发现2种测量方式的测量结果接近，其中冲击荷载为103.42 kPa的测量结果如图5所示。邢灏喆等（2021）利用SHPB结合3D-DIC技术对粗粒、中等和细粒径（CG、MG、FG）3种砂岩进行压缩试验，由图6（a）可以看出，粗粒径砂岩应变局部化现象明显，最终局部裂纹汇合成一条主裂纹，图6（b）和图6（c）反映了中等粒径和细粒径砂岩的应变局部化特征，均从试件的受力端开始，最后裂纹贯通到试件的另一端，可以看出粒径对裂纹扩展的显著影响。杨仁树等（2020）观测了不同冲击速度下红砂岩、灰砂岩和花岗岩3种岩石表面拉伸应变场和剪切应变场的动态演化规律。Gilat et al.（2018）对纤维复合材料的缺口试样受剪切作用的实时应变场进行了分析。叶晓盛（2020）利用2D-DIC技术分析了碳纤维和树脂的动态拉伸过程以及失效模式。
图5 2种测量技术获得的不同生物复合材料的应变时间历史（冲击荷载为103.42 kPa） （Pandya et al.，2019）composites obtained using two measurement techniques （striker bar pressure is 103.42 kPa）（Pandya et al.，2019） Fig.5 Strain-time history of different biomimetic |
图6 冲击作用下3种砂岩试件垂直方向的应变局部化演变过程（邢灏喆等，2021）Fig.6 Evolution process of vertical strain localization for three types of sandstone specimens under impact loading |
上述应用案例表明，DIC方法能够全面、详细地捕捉动态加载下材料的应变分布特征，不仅可以实时获取应变数据，还能同时提取位移信息。然而，由于数据采样间隔大于传统应变片，应变时程曲线需通过拟合生成，因此可能会遗漏某些时刻的微小应变变化。
3.2 应力测量
传统SHPB试验中，应力的测量仍需要借助应变片，即根据应变片采集的应变信号换算成应力数据。DIC技术主要用于测量物体表面的位移和应变，想要直接测量应力是比较困难的，应力的获得需要DIC测量的应变数据结合一维应力波理论计算，计算公式如下：
式中： 为应力（Pa）； 为材料的密度（kg/m3）； 为传播波的速度（m/s）； 为测得的应变。借此方法，Pandya et al.（2019）测量了一种生物复合材料的动态应力—应变曲线，测试结果可靠；Dave et al.（2018）分析了3种类型的生物复合材料在3种应变率下的应力—应变特征，也证明了DIC测试数据的可靠性，其中应变率为950 s-1条件下的测量结果如图7所示。
图7 2种测量技术在应变率为950 s-1时的动态应力—应变曲线（Dave et al.，2018）Fig.7 Dynamic stress-strain curves of two measurement techniques at the strain rate of 950 s-1（Dave et al.，2018） |
此外，需特别注意测量过程中应力平衡条件。内部力在材料静态下是平衡的，但在动态加载中，非平衡力引起应力分布差异，例如在材料的某个区域，非平衡力可能会导致局部应力增加或减小，而在其他区域则产生相反的效果，从而导致DIC计算的应力结果不准确。然而，由于软材料波速和波阻抗较低、透射信号微弱、应力平衡时间长、透射和反射波的起点选取困难，很难评估材料两端力的平衡状况。为此，谢倍欣等（2014）使用DIC获取入射杆和透射杆两端的应变，将杆两端的应变通过一维应力波理论换算成应力，能够有效评估试件两端的应力平衡状态，测量原理如图8所示。但有的软材料在动态测试时间尺度内很难达到应力平衡（Meyland et al.，2023）。为了解决该问题，学者们使用了很多方法，例如采用波阻抗低的铝杆（Pang et al.，2019）、镁杆（Shergold et al.，2006）和聚合物杆（Jamie et al.，2019）等降低软材料和杆之间阻抗失配，通过增加垫片来调整波形（宋力等，2004），在加载设备上施加与非平衡力相反的静态力或者补偿力来抵消非平衡力（王永刚等，2003）。
图8 试件两端应力同步测量原理图（谢倍欣等，2014）Fig.8 Schematic diagram of synchronous stress measurement at both ends of the test specimen（Xie et al.，2014） |
综上所述，在SHPB试验中，应力测量通常依赖于应变片，但也可借助DIC技术间接获取，前提是满足一维应力波理论和应力平衡假设。然而，对于软材料而言，应力平衡条件更为复杂，需结合其他方法进行综合评估。由于上述应力计算基于一维应力波和均匀性假设，其应用存在一定局限性，尤其对于呈现复杂应力行为的材料，这一局限性更为显著。
4 DIC技术在冲击大变形测量中的优化方案
在低速加载情况下，DIC测量的准确性较高，可以有效捕捉和分析形变。但在高应变率下，由于图像采集和处理速度的限制，可能无法实时准确地捕捉试样的变形过程，导致对应力—应变关系的测量存在误差。主要原因有2个：第一，正常情况下真实位移附近的相关系数（绿色部分）较为明显，如图9（a）所示，然而，由于测量前后图像差异过大，真实位移附近的相关系数明显减少，有效的初始值在局部极值中无法分辨，如图9（b）所示。因此大变形条件下很难通过相关匹配进行正确求解，也叫退相关效应（Decorrelation effect）。第二，子区内部变形可近似为形函数来提高DIC测量精度，但对于大变形而言，常用的零阶和一阶形函数均无法近似地描述子区内部的变形，形函数与真实变形欠匹配。为了优化大变形测量精度问题，学者们从增量相关、形函数、初值估计和深度学习等方面进行了相关研究探索。
4.1 增量相关
增量相关可以较好地解决大变形问题，其原理是增大图像采集频率，将大变形视为多个小变形的累积以实现对大变形的测量和分析，原理如图10所示。然而，每次小变形的累积计算均存在误差，以子区偏移误差为主要因素，插值误差为次要因素。子区偏移指每次图像更新后子区所发生的变化，其误差主要受参考图像更新次数的影响；插值误差是指在进行数据插值过程中引入的误差。为此，Pan et al.（2012）定义了一个种子点在原始参考图像中，在变形图像中进行搜索，并判断相关系数是否到达预设阈值来限制参考图像的更新次数，从而减小子区偏移误差。Wang et al.（2018）提出了一种精确且简单的增量式DVC方法，更新后参考体图像中的参考子体被自动转换到最近的整数体像素位置，避免亚像素插值中复杂的数据计算。
4.2 形函数
DIC方法常用的形函数类型包括零阶、一阶和二阶形函数，它们可以提供不同的精度和适应性，不同阶数的形函数对比如图11所示。若变形阶数超过形函数的阶数，会发生形状函数欠匹配问题，因此选择高阶形函数可以较好地解决大变形中欠匹配的问题，例如Lu et al.（2000）通过二阶形函数准确地测量二阶位移梯度，相比一阶形函数测量精度更高。然而，传统的二阶形函数具有数值不稳定性，为此Gao et al.（2015）和Bai et al.（2017）将传统的二阶形函数进行优化后得到可逆的二阶形函数，提高了测量的稳定性。在材料的整个变形过程中，有时会涉及小变形区域，对该区域采用高阶形函数是过度匹配的，同时可能会在一定程度上影响DIC算法的收敛性并增加计算负担（Xu et al.，2015），因此对于不同的采样点，选择合适的子集大小显得尤为重要。Liang et al.（2015）和Li et al.（2017）以像素到中心点的距离作为每个像素的灰度强度分配权重，进而权衡不同采样点子集大小。此外还有学者针对子集大小的自适应匹配问题提出很多方法，例如Yuan et al.（2023）引入巴特沃斯函数作为加权窗口，通过该窗口可以连续调整子集大小，并提出了变形偏差函数，通过DIC中仿射和二阶形函数的计算偏差来评估子集中仿射形函数的匹配程度。通过求给定子集大小范围内变形偏差函数的峰值来确定每个采样点的最佳子集大小。
4.3 初值估计方法
尽管增量相关技术和形函数能够有效测量一定范围内的大变形，但当变形程度过大时，会导致无法为每个采样点找到合适的初值。为此，在子像素插值算法方面，学者们提出了各种基于插值的子像素精度方法，包括基于像素互相关的插值方法（Zhang et al.，2012）、基于光流的插值方法（Sun et al.，2010）以及高阶多项式插值方法，这些方法能够提高位移估计精度，尤其在处理复杂形变的场景时更有效。在形变模型方面，学者们提出了基于网格的非线性变形模型（赵勇等，2008），以更准确地建模和评估各种形变；在多尺度策略方面，用于DIC初值估计的多尺度方法能够在不同粒度的图像金字塔中进行匹配和优化（Wang et al.，2020），先在较粗尺度上估计初始位移场，再逐步细化到较细尺度，从而提高了算法的稳健性和精度。
4.4 深度学习
除了上述增量相关、形函数和初值估计方面的优化，近年来深度学习的方法也逐渐应用于DIC测量领域（刘小勇等，2018；Yang et al.，2022；萧红等，2023），但目前仍处于探索优化阶段。通过学习图像的特征，提取更具判别性的特征，这些特征可以帮助解决DIC中的匹配困难问题；然后学习复杂的形变模型，如非线性模型，以更好地描述大变形场景中的形变；对DIC的数据集进行训练，并使用数据增强技术来模拟大变形场景，再引入各种形变和扭曲，进一步扩展训练数据集的多样性，提高深度学习模型对于大变形场景的泛化能力；最后通过训练生成器和判别器的对抗过程，生成更真实的变形图像。
综上所述，针对DIC在大变形测量中的难题，学者们从增量相关算法、形函数优化和初值估计等方面进行了深入研究和改进。此外，深度学习技术的引入为DIC的发展提供了新的方向，未来研究应着重于设计高效的网络结构，构建高质量的训练数据集，以及优化DIC测量系统的整体性能，从而提升其在大变形场景下的测量精度和可靠性。在SHPB试验中处理材料大变形问题时，需要综合考虑上述技术因素，同时也要重视硬件设备和试验环境的影响。例如，采用高帧率的高速相机、选择合适的光源和滤波装置，以确保光照条件的稳定性，这些措施都将有助于提高试验数据的准确性和可重复性。
5 DIC技术在超动态测试领域的发展方向
（1）提升图像采集与处理速度。针对高应变率下的动态力学行为测量，DIC技术需要进一步提高图像采集和处理速度，以确保实时、准确地捕捉试样的变形过程。这包括采用更高帧率的高速相机和优化图像处理算法等。其中，图像处理中的去噪算法既能有效去除噪声又能保留图像中的重要细节和结构信息，对于高应变率下的力学行为，去噪算法需要特别关注时间分辨率和空间分辨率的平衡。例如，时空域双边滤波去噪（张涛等，2019），通过结合时空域的像素距离和强度差异进行加权平均来减少噪声，同时保留图像和视频帧的边缘细节，在快速变化的场景中，时空域双边滤波可以减少由于噪声引起的伪影，提供更清晰的图像；三维非局部均值滤波去噪（Antonio，2022），利用视频序列中相似块之间的加权平均和相似性去除噪声，同时保留时空细节和纹理，适用于处理复杂的噪声模式，特别是在快速变形和运动的场景中；总变差（Total Variation，TV）去噪（Zohre et al.，2018），通过最小化总变差，去除噪声的同时保留图像和视频中的边缘和运动细节，在高噪声水平下，总变差去噪能够有效地抑制噪声，提高图像质量。
（2）提高测量精度与稳定性。通过改进散斑制作方法、优化相机和镜头配置以及减少光照条件变化等方式，提高DIC技术的测量精度和稳定性。此外，还可以结合其他先进技术（如机器学习、深度学习等）对图像进行预处理和后处理，进一步减小误差。
（3）增强环境适应性。DIC技术需要更好地适应SHPB试验中人为设置的复杂环境，如高温、高压和强冲击等，这需要开发耐高温、耐高压的相机和镜头，以及研究在强冲击载荷下保持散斑稳定性的方法。
（4）拓展应用范围。除了基本的位移和应变测量外，还需进一步拓展DIC技术的应用范围。例如，可以结合超动态应变放大器、数字示波器和CT（Computed Tomography）等技术进行多参数测量，或者应用于复杂形状试样、新型材料和其他加载条件。
（5）集成化与智能化。随着智能科技的发展，DIC技术有望与SHPB试验装置实现更紧密的集成，形成智能化的测试系统。这不仅可以简化操作流程、提高测试效率，还可以实现数据的实时处理和分析，为材料动态力学性能的快速评估提供有力支持。
6 结语
（1）与传统接触式应变片相比，DIC技术在局部细节捕捉和实时观测方面具有显著优势。然而，应力测量仍然依赖于应变片或基于均匀性假设的一维应力波理论进行计算，而复杂材料往往难以满足这些条件。因此，未来研究需要进一步建立更精确的材料本构模型，并探索新的计算方法以提升测量精度。
（2）根据不同材料表面特征设计散斑制作方法，构建材料在冲击荷载下的本构模型，并优化DIC自适应算法，是提高DIC测量精度的有效途径。
（3）通过提升图像采集与处理速度、提高测量精度与稳定性、增强环境适应性以及拓展应用范围，DIC技术有望与SHPB试验装置实现更紧密的集成，从而构建智能化、一体化的测试系统。
总之，DIC技术在SHPB试验中的应用正朝着更高速度、精度、稳定性和环境适应性的方向发展，同时不断拓展应用范围并实现集成化与智能化，这将充分发挥DIC技术在材料动态力学性能测试中的优势，有力推动相关科研领域的进步。
甘公网安备 62010202000672号
