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一、方案背景

焊接接头是建筑钢构、桥梁等受交变载荷工程结构的典型薄弱环节。据统计，70%以上的焊接结构失效源于疲劳损伤（如焊缝裂纹扩展）。

在实际建筑工程中，金属焊接件节点常承受多轴复杂应力（如地震、风振等动态载荷），而焊接区域在拉-扭耦合作用下的多轴应变分配特性未知，亟需高精度全场变形测量技术验证。

二、DIC原理、技术对比与重要性

试验采用XTDIC三维全场应变系统，对焊接试样进行扭转疲劳测试，通过全场动态应变监测，焊接区域在扭转载荷下的疲劳损伤和裂纹发展情况，进一步分析试样的疲劳特性。其优势在于非接触性、高时空分辨率及与多物理场耦合分析的潜力。

对比项	DIC技术方案	常规应变片方案
测量方式	非接触式测量，可用于各类复杂工况	扭转工况下，接触式传感器易脱落，数据可靠性低
数据维度	全场应变（空间连续分布）	离散点测量（单点/多通道）
多轴应变解耦	同步输出轴向、剪切、主应变等分量	需布置多组应变片，无法确保同步性
裂纹检测灵敏度	可识别微米级微裂纹对应的应变集中区	依赖电阻值突变，滞后于实际裂纹扩展
热效应关联分析	同步温度场-应变场映射	无法直接关联热力耦合效应

DIC 技术在循环加载疲劳中的应用

（1）动态应变监测

• 高频响应：可搭配不同采集频率相机，捕捉循环加载中快速变化的应变场（如裂纹扩展瞬间的应变突变）。

• 同步控制：与试验机联动，实现加载阶段与图像采集的精确同步。

（2）疲劳损伤识别

• 早期损伤检测：通过应变场不均匀性识别微裂纹萌生（如局部应变集中区域）。

• 裂纹扩展追踪：实时测量裂纹长度、宽度及扩展方向，计算裂纹扩展速率。

（3）疲劳寿命预测

• 全场应变数据：结合有限元（FE）模型或疲劳损伤模型，预测材料及试样疲劳及载荷寿命。

• 多尺度分析：从宏观应变分布，关联微观损伤机制。

三、DIC方案组成和关键指标

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；

DIC测量系统	技术参数与功能设计	适用性分析
XTDIC-5M双目系统	2448×2048分辨率，75Hz帧率，配备100mm镜头	覆盖50mm视场，单像元分辨率≈20μm
红外相机耦合系统	同步采集温度场与三维坐标场（热-力耦合分析）	监测疲劳温升对局部应变的影
蓝光LED照明	低热干扰光源，适配散斑反射特性	增强散斑对比度，抑制环境光干扰
相移触发采集	匹配0.5Hz疲劳周期，精准同步载荷峰值时刻采集图像	消除运动模糊，提升位移计算精度

在拉伸-扭转复合疲劳载荷下，DIC技术实时监测焊缝及打磨区域的轴向应变与剪切应变分布演变特性，量化疲劳损伤进程。

四、工字型焊接试样扭转疲劳测试

研究对象: 焊接金属试样（工字型类圆柱结构，总尺寸120mm×60mm，焊缝及打磨区域约50mm×50mm）

加载频率：扭转疲劳加载试验，进行8500多个循环加载周期，XTDIC三维全场应变测量系统采用0.5Hz疲劳周期分析加载频率。

数据处理和分析

疲劳机控制器输出TTL信号触发DIC系统按0.5Hz间隔采集，DIC系统全场数据采集持续记录8500次循环，提取关键阶段图像进行分析。

根据用户需求，从多个应变类型和位移数据，去分析疲劳实验中试样不同时期的变化情况。

焊接圆柱试样位移云图

焊接圆柱试样剪切应变云图

轴向应变云图

五、试验结果与分析

1、位移非对称性：试样左侧与右侧位移数据，表明焊接区域刚度偏差；

2、高剪切应变区（红色）沿焊缝熔合线呈带状分布，且在循环加载中逐渐扩大。

3、打磨区保护效应：打磨区域轴向应变较小，表面处理有效降低了应力集中。

4、焊缝形状优化：熔合线处应变集中明显，建议采用渐变过渡设计（如增加倒角半径）以分散应力。