汽车安全与轻量化

有没有变形，看一眼就知道！

有没有变形？你能看出来吗？也许很多熟悉汽车的人会很快给出答案。但是如果是非常小的变形，例如到微米量级；或者非常快的变形，例如到毫秒量级，你还能一眼就看出来吗？——有一个“它”却可以。

知识帖专心看下去

今天我们要讨论的其实不是汽车造型设计的问题，而是在力学测量领域非常重要的变形测量的问题。从几何学的角度出发，变形就是物体上两点之间的距离发生了变化，我们可以用尺子测量变形前后两点之间的距离，就能得到变形了。但是在力学测量当中，我们遇到的问题多种多样，有的需要测量物体表面所有点的变形，有的需要实时测量物体的变形，有的变形的速度很快，有的变形很大，有的变形发生的环境很复杂……等等。

传统的变形或位移测量方法主要借助于引伸计、应变片、光电测速计或加速度传感器等。引伸计测量时其刀口需要与试件紧密贴合，产生的耦合效应会影响某些材料的试验精度,而且静态试验机配备的引伸计灵敏度难以满足动态试验的要求；应变片工作变形较小,不能满足某些材料的大变形测量；光电测速计或加速度传感器仅限于测量夹具位移，难以达到材料性能测试要求。由此可见，对于变形测量，尤其是汽车碰撞领域关注的动态大变形测量，以上传统方法存在着明显的局限性。

拉伸试验中采用引伸计测量变形

近年来非接触光学测量方法在工程实践中已逐渐受到关注，尤其是基于数字图像相关法（Digital Image Correlation Method，DICM）的非接触测量方法在多种材料试验中得到了广泛应用。除了保证测量精度之外，基于数字图像相关法的非接触测量方法与很多传统变形测量手段相比还具有多方面优势：

（1）与传统的测量方法相比，该方法能够测量整个变形表面，能得到全场变形信息；

（2）非接触特性可避免接触式测量对试件性能造成的干涉，从而有效了避免了应变片、机械引伸计等方法在测量时由于耦合效应对材料性能的影响；

（3）通用性好，可用于多种类型的试验（如拉伸、压缩、剪切；静态、动态等），并可用于不同尺度的测量；

（4）对测试环境要求低，可用于在场测量。

既然有这么多好处，那么这个DICM到底是什么方法呢？简单来说，这种方法就是给被测的物体在变形的不同阶段拍摄很多的照片，然后通过比较不同时刻的照片来获得物体的变形。在一定的变形范围内，物体表面形貌的变化并不会破坏变形前后其形貌的相似性，如下图所示，方框内的斑纹在拉伸过程中被逐渐拉长，但除了被拉长的变化，方框内斑纹的数目、分布等形貌特征仍保持不变。DICM 方法即利用变形前后同一质点周围斑纹形貌的这种相似性，匹配计算得到变形后图像中对应于变形前图像中的点，从而得到单个点的位移信息。对整幅图像中的多个点进行匹配计算，即可得到分布于整个图像的位移场，从而计算变形信息。

物体拉伸过程中表面形貌变化[1]

都看了这么多，耐著性子看完吧

基于DICM已经有很多成熟的商业测量产品，如美国CSI公司的Vic-3D/2D，德国GOM公司的ARAMIS等，国内也有很多高校开展了相关的研究工作，并开发了相应的产品。一套完整的DICM测量系统都包括硬件和软件两部分，硬件部分包括拍摄使用的摄像机、存储电脑等，软件部分也是系统的核心部分，就是基于DICM开发的变形分析软件。

典型的DICM测量系统[4]

为进行动态变形的测量，需要将系统中的摄像机升级为拍摄帧率非常高的高速摄像机，其帧率通常能达到十万桢/秒以上。在电影拍摄中非常火爆的3D摄影技术其实在变形测量中也早就开始使用了，三维数字图像相关法可以测量曲面物体的三维形貌和变形，使用两个固定的相机从不同角度拍摄被测物表面，之后通过图像匹配算法计算得到变形前后数字图像中待测点的图像坐标，再结合事先标定好的两个相机的参数和相对位置关系，计算得到变形前后待测点的三维空间坐标，最后以此得到全场三维变形。