在机械设计与制造的尖端领域，产品的动态可靠性评估是确保其长寿命、高安全性和卓越性能的核心环节。传统的应变测量方法，如电阻应变片，虽精度可靠，但在面对复杂几何、动态载荷、旋转部件或高温环境时，常面临安装困难、测量点有限、易受干扰等挑战[7]。近年来，以数字图像相关法（Digital Image Correlation, DIC）为代表的非接触式全场光学测量技术，凭借其高精度、全场性和动态追踪能力，正成为破解机械产品动态可靠性评估难题的关键利器，广泛应用于从航空航天到日常电器的各类机械产品研发与测试中。
✈️ 一、从天空到路面：DIC在飞机与汽车关键部件测试中的突破
飞机机翼、起落架、发动机部件等承受着极其复杂的动态气动载荷与振动。研究显示，DIC技术已被成功用于飞机机翼的静动态变形监测、复合材料结构的损伤演化分析以及全尺寸机身面板的裂纹扩展研究[6]。例如，有团队利用DIC技术对大型飞机面板（4.8 m × 1.4 m）的混合模式（I+II型）裂纹扩展进行了定量研究，通过分析超过800张图像，揭示了结构加强件对裂纹路径的影响和高应力强度因子值，突显了DIC在理解复杂航空航天结构失效机制方面的强大能力[1]。
"DIC技术成功用于大型飞机面板的裂纹扩展定量研究，通过分析800多张图像，揭示了结构加强件对裂纹路径的影响和高应力强度因子值。"[引用 1]
在汽车工业中，轻量化与安全性并重。EV电机外壳、底盘件、白车身等在耐久性和碰撞测试中需要精确的应变场数据。DIC能够非接触地测量这些部件在疲劳测试或冲击载荷下的全场变形，精准定位应力集中区域，为优化设计和材料选择提供直接依据[4]。例如，在电动汽车电机外壳的耐久性测试中，结合疲劳试验机与三维DIC分析，可以同步获取测试力、位移信号与DIC分析结果，绘制出应变（纵向、横向、剪切、主应变）和位移的彩色云图，从而在不制作专用试样的前提下分析真实零件的应变分布[4]。
⚙️ 二、赋能"旋转"与"微观"：通用机械与电器零部件测试新维度
对于螺旋桨、涡轮叶片、风机转子等旋转机械部件，传统的应变片测量需要复杂的滑环或遥测系统，且可能干扰部件动力学。高速3D DIC技术为此提供了优雅的解决方案。研究通过部分旋转的模型飞机螺旋桨测试证明，即使使用1 Mpx高速相机📷️，DIC也能实现噪声水平约±10 μm的精确位移测量，并为应变分析提供了可行性路径，尽管应变测量噪声相对较高，但通过优化子集大小和滤波参数，其与应变片数据在应变模式上表现出强相关性（Pearson相关系数最高达0.94）[2]。
"高速3D DIC用于部分旋转螺旋桨测试，实现了±10 μm精度的位移测量，与应变片数据的应变模式强相关（Pearson系数最高0.94）。"[引用 2]
在增材制造（3D打印）领域，具有复杂点阵结构的轻量化部件日益增多。这些结构内部存在大量空隙，传统DIC算法因需要相邻子集信息而面临挑战[5]。一种基于子集形状函数的新型DIC算法被开发出来，它无需邻域信息，能够直接以单个晶胞甚至多个晶胞作为分析子集，成功测定了点阵结构在疲劳载荷下的应变幅值，为这类创新结构的寿命预测提供了关键的实验数据[5]。
此外，在电器零部件、微型机械或材料的微观力学行为研究中，DIC可通过搭配显微镜🔬头，实现微米甚至纳米尺度的全场应变测量，用于分析焊点可靠性、微型结构疲劳、复合材料微观损伤机理等。
🚀 三、动态可靠性的核心优势：从准静态到高速冲击
动态可靠性评估的核心在于捕捉部件在真实工况或极端载荷下的瞬态响应。现代DIC系统，特别是像 EikoTwin DIC应变测量系统 这样的先进解决方案，得益于高速CMOS传感器、短全局快门时间和高帧率（可达数万fps），已能胜任从准静态拉伸到高速冲击（如鸟撞、弹道冲击）的各类动态测试。
EikoTwin DIC应变测量系统 将高精度光学测量与数字孪生理念相结合，不仅能实时获取被测物体表面的全场三维形貌、位移和应变数据，更能将这些高保真的实验数据无缝对接到仿真模型中，用于校准和验证有限元分析（FEA）。这种"实验驱动仿真"的模式，极大地提升了动态仿真预测的准确性，加速了产品的可靠性设计与优化流程。
研究表明，对于应变绝对值在0.3%以上的测量，DIC与应变片结果吻合良好（误差不超过15%）。而对于超过5%的大变形，应变片往往已损坏，DIC却能持续追踪直至试件破坏，这在材料非线性行为研究和失效分析中价值巨大[3]。
"研究表明，对于应变值在0.3%以上，DIC与应变片测量匹配良好（误差≤15%）。DIC可测量直至破坏的大变形，而应变片通常在应变>5%时损坏。" [引用 3]
🔮 四、展望：智能化与标准化引领未来
尽管DIC技术优势显著，但其测量精度受散斑图案质量、校准精度、光照稳定性、算法等多种因素影响。未来发展趋势将聚焦于：1）测量不确定度的标准化评估：建立统一的规程（如VDI/VDE 2626指南的实践应用）以量化并降低误差；2）人工智能与算法的深度集成：利用AI优化散斑图案、提升相关算法在噪声环境下的鲁棒性、实现实时自动化分析；3）与数字孪生和健康监测系统深度融合：如同 EikoTwin DIC应变测量系统 所倡导的，使DIC从离线测试工具转变为在线监测与预测性维护的核心传感器，为机械产品的全生命周期可靠性管理提供持续数据流[6]。
总而言之，DIC应变测量技术正在深刻变革机械产品动态可靠性评估的方法学。它以其非接触、全场、高动态响应的特点，跨越了从宏观飞机到微观『芯片』的尺度鸿沟，成为连接物理实验与数字仿真、驱动产品创新与可靠性提升不可或缺的桥梁。随着技术的不断成熟与系统的持续智能化，DIC必将在高端装备制造与日常消费品可靠性保障中发挥更为基石性的作用。
参考文献
- Du Y., et al. Evaluation using digital image correlation of stress intensity factors in an aerospace panel. Experimental Mechanics, 2011.
- Pazur K., Bogusz P., Krasof W. Utilizing High-Speed 3D DIC for Displacement and Strain Measurement of Rotating Components. Materials, 2025.
- Bogusz P., Krasof W., Pazur K. Application of Digital Image Correlation for Strain Mapping of Structural Elements and Materials. Materials, 2024.
- Motorlumi Kimura, et al. Endurance Test and Dynamic Three-Dimensional DIC Analysis of Outer Case of Electric Vehicle Motors. Shimadzu Application News, 2025.
- Hofmann M., et al. Shape Function-Based Strain Determination in DIC for Solids and Lattice Structures. Experimental Mechanics, 2025.
- Ravindra Mallya, et al. Application of digital image correlation in aerospace engineering: structural health monitoring of aircraft components. Aerospace Systems, 2024.
- Gadhe S.S., Navthar R.R. Digital Image Correlation Technique for Strain Measurement of Aluminium Plate. International Journal of Engineering Trends and Technology, 2016.
