霍普金森压杆实验中基于双目超高速摄像机与DIC技术的动态应变测量

霍普金森杆实验（SHPB）中水泥试件的动态应变场（使用双目超高速摄像机和数字图像相关（DIC）系统测量）。

一、实验背景

霍普金森压杆实验是获取材料高应变率力学响应的重要手段。普通高速摄像机难以在理想画幅下捕捉微秒级冲击过程，传统引伸计测试可获得总体平均应变信息，但无法揭示局部应变分布及变形演化规律。

某材料实验室采用中科君达视界提供的双目超高速摄像机，结合数字图像相关（DIC）技术，以100000帧/秒采集速率对试件变形全过程可视化记录与应变分析，揭示冲击加载初期阶段的微观应变演化特征，为高应变率材料本构模型建立提供实验数据支撑。

二、实验设计

I. 实验设备：

● 直径50 mm×厚度 25 mm的水泥试件。

● 千眼狼超高速摄像机NEO25M×2。

● 千眼狼DIC应变分析系统。

● 霍普金森压杆装置。

II. 实验方法：

● 试件喷白后，用马克笔制作散斑。

● 采用标定板完成双目立体匹配。

● 通过气动霍普金森压杆施加轴向冲击载荷。

● 利用千眼狼双目高速摄像机同步拍摄，捕获试件冲击变形瞬态过程。

● 选取试件中心“阶段点0”作为特征点，利用DIC软件提取图像序列中的位移信息，计算拉格朗日应变，生成应变-时间曲线。

三、实验数据

千眼狼高速摄像机NEO25以10 μs时间分辨率解析冲击初期220帧的应变响应特征，大致可以分为三个典型阶段，对应材料不同的力学状态与损伤演化机制：

I. 190~390 μs(第20~40 帧)：曲线快速、线性增长，到390 μs出现首个拐点，表明试件材料处于线性弹性变形阶段，应力波前沿刚传播至试件，材料内部尚未发生不可逆的损伤，曲线的线性度也反映了水泥基材料在冲击载荷下的刚度特性。

II. 400~1290 μs（第40~130帧）：此区间应变曲线呈振荡非线性波动状态，主要由于此阶段水泥基脆性材料在高应变率下出现的微裂缝引发局部刚度退化所致，波动幅度较小说明微观损伤分布相对均匀，总体结构尚未失稳。

III. 1290–1510 μs（第130~152帧）：1290 μs时，应变曲线图出现第二个拐点，应变再次快速上升，第二次爬坡源自入射波的反射波再次加载在已受损的试件上，因首次强加载微损伤已致材料整体刚度下降，因此第二次应变增幅弱于第一次应变增幅。1510 μs后，应力波能量被耗散，试件内部宏观裂纹形成，导致局部卸载，应变下降进入稳定阶段，表明材料已失稳。

四、实验结论

I. 本次霍普金森压杆实验通过具有微秒级时间分辨率的千眼狼NEO25高速摄像机和数字图像相关（DIC）技术，捕捉并解析了水泥试件在SHPB冲击下0~2.2 ms的动态响应全过程。

II. 利用DIC软件处理的应变曲线可表征材料在高速冲击加载下的精细应变演化过程：190~390 μs为材料动态弹性响应阶段，应变率高但未发生显著损伤；400~1290 μs应变曲线的非线性波动揭示材料处于损伤累积期；1290 μs后应变增长幅度低于初次，表明材料刚度已退化；1510 μs后曲线下降趋稳显示材料已发生部分断裂。

III. 具有更高时间分辨率的高速摄像机，有助于识别动态破坏瞬态中的关键拐点，如损伤萌生、局部断裂的瞬态节点，为本构模型建立提供更精细的数据支撑。