2026全国固体力学学术会议观察：高速摄像机与DIC解析材料动态变形与断裂

固体力学实验正走向高时间分辨率、非接触和全场变形测量。对于动态断裂、冲击损伤和高应变率变形等快速过程，高速摄像机能够连续记录材料响应，数字图像相关（Digital Image Correlation，DIC）则进一步将高速图像转化为位移场、应变场及其时间演化。本文结合2026年全国固体力学学术会议所关注的实验固体力学、损伤断裂与动态力学问题，以及圆盘压裂和霍普金森杆冲击两项高速DIC实验，讨论高速摄像机与DIC在材料动态变形、断裂机理研究和数值模型验证中的技术价值。

1 从全国固体力学学术会议看实验测量的新需求

近日，2026年全国固体力学学术会议在天津顺利召开。会议议题覆盖固体变形与本构理论、强度损伤与断裂、波动与振动力学、复合材料与结构力学、多场耦合以及实验固体力学等多个方向。

实验测量技术本身正在成为固体力学研究的重要组成部分。实验固体力学分会场出现了DIC离焦散斑图像去模糊、深度学习数字图像相关、高温DIC以及复杂力—热—冲击条件下材料属性表征等研究；其他分会场还提及多视角时空DIC、数字体图像相关以及极端环境全场变形测量。

固体力学实验关注材料失效发生之前的全过程：如裂纹从何处萌生？冲击过程中应变场如何传播和分布？不同加载方式为何形成不同破坏模式？实验结果能否对数值模型和本构关系提供有效验证？这些问题都要求实验同时具备高时间分辨率和空间信息密度。

图1- 2026全国固体力学学术会议现场，会议聚焦实验固体力学、材料损伤断裂、高应变率动力响应及DIC全场变形测量等研究方向。

2 动态固体力学过程测量难点

材料在动态断裂、冲击加载和霍普金森等工况下，实验条件发生如下变化：

• 时间尺度大大缩短：裂纹萌生、应变局部化和冲击破坏可能集中发生在毫秒乃至微秒时间尺度。冲击加载持续时间极短，试件表面应变快速演化，需要高速试件分辨能力才能连续记录。

• 变形高度非均匀：裂纹尖端、局部缺陷、剪切带以及材料界面附近往往形成显著的空间应变梯度。应变片等接触式测量难以连续描述整个试件表面的应变场演化。

• 高速与图像质量之间的矛盾：高速与图像质量之间的矛盾。高速DIC帧率提高后，曝光时间通常需要同步缩短，光照不足和运动模糊会降低散斑相关质量。

因此，动态固体力学实验的关键是在足够高的的时间分辨率下，持续获得可以进行定量相关计算的高质量散斑图像。

3 高速摄像机与DIC：从瞬态图像到全场变形

高速摄像机与DIC承担不同但互补的功能。

高速摄像机首先记录材料从加载、变形到破坏的连续瞬态过程，DIC通过比较变形前后图像中散斑子区的位置变化，计算试件表面位移场，并进一步获得应变场及其时间演化，解决“哪里发生了变形，这种变形如何演化”。典型输出包括面内位移以及轴向、横向、剪切和主应变等参数。

实际实验中，高速DIC测量主要受帧率、曝光时间、空间分辨率、散斑质量、照明和视场设计共同影响。

4 典型案例一：20,000 fps圆盘压裂高速DIC测量

4.1 研究对象与实验目标

圆盘压裂是研究岩石及其他脆性、准脆性材料断裂行为的典型实验形式。福建农林大学研究团队以100 mm圆盘为研究对象，采用千眼狼(Revealer) NEO25M高速摄像机，以1280×1024分辨率、20,000 fps（具备全画幅下25,000 fps采集能力）进行采集，记录压裂过程中的快速演化，并利用DIC分析其变形过程。

图2-千眼狼(Revealer) NEO25M高速摄像机用于圆盘压裂DIC实验，以1280×1024分辨率和20000 fps记录脆性材料裂纹快速扩展过程。

4.2 从裂纹形貌观察到应变场演化

圆盘压裂过程通常经历裂纹起裂、扩展直至最终失稳破坏。对于快速扩展阶段，普通时间分辨率难以连续显示裂纹及其周围变形场的演化细节。通过高速摄像机获取连续散斑图像，再进行DIC分析，建立裂纹演化过程与表面应变场之间的关系。

图3-圆盘压裂高速DIC应变场分析结果，高速摄像机连续记录裂纹起裂与扩展过程，并通过DIC表征裂纹周围应变集中和全场变形演化。

对于断裂力学研究，宏观可见裂纹只是破坏过程的一部分，裂纹出现之前，局部应变场已经可能发生明显重分布。高速DIC能够同时保留裂纹形貌和表面变形场的时序信息，从而为研究裂纹起裂位置、扩展路径与局部变形之间的关系提供实验依据。

5 典型案例二：50,000 fps霍普金森杆冲击岩石高速DIC测量

5.1 高应变率下的全场测量需求

中国地质大学研究团队围绕爆破应力波传播及岩石动态响应开展研究。霍普金森杆冲击过程中，岩石试件表面应变在极短时间内快速变化，传统单点接触式测量难以反映应变场的空间分布，因此实验采用高速DIC获取冲击过程中的全场动态应变。

实验采用千眼狼(Revealer)S1315M高速摄像机，在448×296分辨率下以50,000 fps进行采集，测试视场15 mm×10 mm，工作距离50 cm。

鉴于试件运动速度高，实验采用高强度补光，曝光时间控制在6 μs，以抑制散斑运动模糊，提高高速DIC相关计算所需的图像质量。

图4-中国地质大学霍普金森杆岩石冲击高速DIC实验，Revealer S1315M高速摄像机以50000 fps和6 μs曝光记录高应变率冲击过程。

5.2 正向与斜向冲击的应变场差异

高速图像经2D DIC处理后，实验获得了切应变、轴向应变、第一主应变及相应时间演化结果，并分别分析正向冲击与斜向冲击工况。

其中，试件破坏前正向冲击的最大切应变为10,854.4 με，斜向冲击为7,979.45 με，正向冲击对应的切应变场表现出更明显的空间梯度。

图5-霍普金森杆正向与斜向冲击岩石试件2D高速DIC切应变Exy对比，正向冲击破坏前最大切应变为10854.4 με，斜向冲击为7979.45 με。

这一结果说明，高速DIC所提供的并未单一最大应变值，而是随时间变化的空间应变分布。基于此数据，研究人员不仅可以比较不同加载工况下最大应变是多少，还能够进一步分析高应变区域出现在哪里、空间梯度如何发展，以及其与最终破坏位置之间是否存在对应关系。

6 高速DIC对固体力学研究的价值

6.1 解析损失与断裂瞬态

高速摄像机可以连续记录裂纹萌生和传播，高速DIC进一步提供裂纹周围的位移与应变场。对于岩石、混凝土、陶瓷及复合材料等非均匀材料，这种时空连续数据更适合研究局部化、裂纹扩展以及不同破坏模式之间的联系。

6.2 表征高应变率动态响应

在霍普金森杆、冲击和高速加载条件下，材料响应具有显著时间依赖性。高速DIC能够将单一时刻的应变结果扩展为连续的应变场、应变时间历程曲线、破坏形貌，从而分析不同加载方式、材料和工况下动态变形的差异。

6.3 为本构模型和数值模拟提供实验基准

数值模型通常能够输出连续的位移场、应变场和损失变量，高速DIC提供的全场数据使实验与计算能够在空间分布和时间演化层面进行更加直接的比较，使动态实验数据具备与数值模拟进行场-场对比的条件。

7 结语

实验固体力学正向高速、全场、三维、多尺度及物理量同步测量发展，对极端条件下材料变形、损伤与断裂过程的时空分辨能力提出了更高要求。

与此同时，高速DIC正在向更高时空分辨率、3D DIC与数字体相关、多源同步测量、复杂环境适应以及数据驱动分析演化。随着高速DIC不断完善，实验获得的信息可扩展到全过程位移场、应变场以及损伤演化数据，推动实验固体力学进一步走向机理辨识、本构参数识别与数值模型验证。

标签：