使用数字图像相关(DIC)方法测量平滑、准确的裂纹尖端位移场和应变场是学术界难题之一。目前常用的方法为基于子区的局部DIC方法,但其子区跨裂纹计算的结果无意义。经过改进的基于子区分割的DIC方法降低了子区内像素点数量,导致精度降低。提出一种基于Hermite单元的局部DIC(HELDIC)方法,依次分块计算感兴趣区域(ROI),利用较大单元包络分块区域剔除单元边界精度较低的数据,通过调整Hermite单元位置使得剔除的数据量最少,再使用所提改进的逐点最小二乘(PLS)方法平滑分块的位移场并得到应变场,从而提高裂纹尖端应变场的平滑度和精确度。实验结果表明,所提方法与传统局部DIC方法相比获得的变形场距离裂纹尖端及裂纹面更近,且在给定的单元和子区大小下的应变场平均误差降低30%以上,是计算裂尖变形场的有效方法。

裂纹尖端变形场测量是定量研究材料断裂特性和行为的关键。基于子区的局部数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)目前应用较多,但跨裂纹子区计算出的数据并无意义,且在测量复杂裂纹变形场时会面临欠匹配的问题。为了克服这些缺点,提出一种基于Hermite单元的正则化全局DIC(HRGDIC)方法。该方法采用高阶Hermite形函数构建全局DIC的有限元单元,建立同时考虑灰度误差与位移场光顺性的迭代方法。同时,在每次迭代求解的过程中使用广义交叉验证(GCV)方法来求解最优正则化参数。于是,HRGDIC方法不仅能处理尖端复杂高梯度变形,还可在迭代结束时获得平滑的位移场和应变场。从裂纹尖端变形图像的模拟和真实测量结果可知,与传统的局部DIC方法相比,所提方法测量精度更高,是解决裂纹尖端变形场测量的有效方法。

提出了基于傅里叶变换的双曝光散斑场的全场数字化测量。对双曝光散斑图进行傅里叶变换得到条纹图以灰度归一法和相位构造法将其优化,获取低噪声、高对比度的散斑干涉条纹。平面位移的测量实验结果表明,数字散斑照相技术适合计算机进行自动条纹识别和位移场计算,能得到较为精确的水平位移值,可实现变形场的精准测量。

应用传统数字图像相关方法进行变形场分布测量时, 很难精确处理带有椒盐噪声的数字图像。本文利用斯皮尔曼秩次(SR)相关系数对于椒盐噪声鲁棒的特点, 提出了一种基于SR的数字图像相关算法。根据SR均值统计特征, 当椒盐噪声密度足够小时, 二元高斯混合模型数据的SR相关系数主要由散斑图像母体之间的相关系数决定。为了验证SR在椒盐脉冲噪声情况下的稳健性, 采用可精确控制的模拟散斑图像进行了仿真, 然后在三维扫描系统中使用SR相关技术计算出扫描数据的偏差。可控压缩散斑变形仿真表明, 当椒盐噪声密度小于25%, 计算子块大小为41 pixel×41 pixel时, SR数字图像相关仍可计算出精确的变形。将该算法应用于计算激光扫描纹理数据之间的偏差, 结果显示, 整体变形为4 μm时, 相关系数为0.996 6, 表明SR相关系数具有较强的稳健性, 在椒盐噪声下可用数字图像相关方法进行变形场分布测量。

提出了用于测量物体内部三维变形场的数字体散斑(DVSP)法。利用计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、激光扫描共焦显微镜(LSCM)或光学相干断层成像术(OCT)获取具有散斑特征的物体变形前后的三维立体图像，将其分别分割成若干具有相同尺寸的子块体，对相对应的子块体进行第一步三维快速傅里叶变换，在频谱域进行数值干涉得到合成谱，对合成谱进行第二步三维快速傅里叶变换，得到含位移信息的扩展脉冲函数，通过求取峰值位置得到子块体的位移矢量，对所有变形前后相对应的子块体逐一进行上述两步三维快速傅里叶变换，就可以求出所有子块体的位移矢量，从而获得物体内部三维变形场。利用模拟生成的三维散斑体图像，通过数字实验，分析了散斑尺寸、数目、子块体尺寸、图像对比度和亮度对DVSP法精度与准确性的影响。利用DVSP法测量了红砂岩单轴压缩内部的三维应变场，由位移场及应变场分布可直观地揭示试件内部变形特征。

实验研究了CW激光辐照铝合金薄板的热力响应过程，利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)结合红外测温系统对整个过程的变形场和温度场实现了全场实时测量。分析了入射激光功率对变形场和温度场的影响，发现变形和温度均随入射激光功率线性增长。建立了三维有限元模型对实验过程进行模拟，模拟结果与实验结果吻合较好，验证了有限元模型的可靠性。3D-DIC结合红外测温系统可以很好地对激光破坏试验中的靶体变形场和温度场进行实时测量，是一种很有效的实验测量手段。