利用数字图像相关技术验证仿真模型：鸟击测试的创新应用

引言

测试具有双重目的：评估结构完整性和验证数值模型。仿真越来越多地支持产品认证，同时减少昂贵的物理测试，尽管这需要使用可靠的实验数据进行严格的模型验证。

与点式传感器不同，DIC能够捕获全面的空间和时间映射，这对于识别测试与仿真之间的差异以及提高模型预测能力至关重要。

EikoSim协助圣戈班航空（Saint-Gobain Aerospace）使用EikoTwin DIC软件分析受鸟击的平板PMMA玻璃的行为。

研究目标包括：

• 在不同冲击场景下实验表征板材（单层和层压）的动态响应
• 为有限元模型验证提供参考数据，特别是位移场、应变和裂纹扩展

该研究展示了DIC如何与标定和后处理方法相结合，减少测试与仿真之间的差异，通过虚拟传感器和检测局部现象的相关残差图提高对鸟击仿真的信心。

测试台和实验方案描述

设计了专门的测试台来重现鸟击条件，以高速将软冲击物投射到PMMA板上，并优化仪器配置用于实验分析和数值验证。

实验设置

采集系统组件：

• 2台高速摄像机（Phantom VEO1310，10 kHz），立体配置（20°角，1,090 mm相机间距，2,970 mm测量距离）
• 镜头：50 mm（宽区域）和100 mm（局部区域）焦距
• 散斑：通过模板的随机图案（3-5 mm特征尺寸），针对相机分辨率优化
• 照明：高功率LED面板，确保足够的对比度并最大限度减少快速运动产生的伪影

验证目标依赖于几个关键方面。将实验DIC数据直接投影到有限元网格上，可以进行节点对节点分析，识别固定器周围或裂纹扩展期间的仿真偏差。

局部测量区域允许详细的裂纹观察，而宽区域提供整体结构响应视图。严格的ChArUco测试图标定确定了相机的内在和外在参数，同时校正了光学畸变。相机和采集与冲击触发器的同步确保了实验图像和仿真之间的时间对应，这对于稳健的数值模型验证至关重要。

结果与分析

通过DIC仪器化的鸟击测试提供了可直接应用于有限元模型验证的完整位移和应变场。关键结果详述如下。

位移场分析

实验-仿真场对比显示出良好的整体相关性，确认了模型的相关性。然而，在固定器边缘附近识别出局部偏差，这可以由测试和仿真之间不同的冲击点以及关于非线性行为定律的某些建模假设来解释。

 

虚拟传感器数据

这些实验结果为调整数值模型参数（如材料属性或阻尼系数）提供了宝贵的参考数据，提高了仿真精度。

应变场分析

这种方法能够对损伤机制进行详细验证，并细化关键现象的预测。

差异分析

DIC贡献总结

如果实验结果差异需要，模型调整成为可能，确保更准确的实际条件表示。此外，DIC擅长检测非线性现象，如裂纹出现或分层。这种捕获复杂现象的能力增强了仿真的稳健性，并实现了更全面的模型验证。

讨论

挑战确实存在：测量质量在很大程度上取决于实验条件，包括标定、照明和散斑应用。不充分的准备会引入偏差，特别是在高应变率下。鸟击冲击产生显著的应变梯度，即使使用精细网格也难以捕获，需要DIC-仿真组合进行稳健验证。

与替代测量方法相比，DIC提供了全面的现象视图，而应变片仅提供特定数据点，通常不足以验证复杂的3D模型。加速度计仅测量加速度，而不是与标定行为定律直接相关的应变数据。