高速相机应用案例 | 基于超高速成像与DIC技术的自行车轮组落锤冲击形变分析

在复合材料结构的安全评估与研发中，落锤冲击实验是检验材料抗冲击性能与载荷传递机制的常规手段。

随着DIC（数字图像相关）技术在科研中的广泛应用，研究人员对高速冲击下的全场应变可视化提出了更高要求。然而，真实的工程结构往往是多材料复合的复杂构件，当重锤高速砸下，底层结构的形变与表层缓冲材料的吸能过程往往交织发生在毫秒之间。传统的观测手段面临帧率不足、单一视野难以兼顾多点追踪等痛点。

为了验证超高速成像技术在复杂结构DIC实验中的应用潜力，深视智能近期开展了一项落锤冲击高速成像测试，通过在同一套影像序列中同步解析结构的刚体运动学姿态与局部微观应变，为DIC行业的高速测量提供了新的实证参考。

本次试拍的核心目标为：完整记录落锤冲击全过程，同步获取轮毂局部的全场变形演化与落锤的运动姿态，并实现定量分析。

落锤接触瞬间速度换向极快，常规帧率容易漏采关键变形节点，且无法捕捉复合材料局部的微小应变突变。此外，实验不仅需要表征轮毂侧面的局部变形热点，还需追踪落锤表面的多点轨迹以评估其姿态稳定性。

为满足多目标的同步表征，实验构建了由超高速相机与图像分析软件组成的测量系统。

DIC视场内的散斑，让轮毂侧面的灰度纹理成为可追踪的位移载体。通过连续帧之间的相关计算，可以获得全域位移，再由位移梯度恢复应变响应。

本次分析基于 stage_00001 至 stage_00221 的完整图像序列，从中选取了 6 帧形变代表性关键帧进行分析。按照相机拍摄帧率10000 FPS的换算关系，这 6 帧关键帧分别对应相对时间 3.3、10.1、13.0、16.0、19.0 和 22.1 毫秒。

对被测区内三个特征点进行分析：

•P1点合位移峰值约 0.33 mm，拉格朗日应变 E1 峰值约 2.6×10³ με；

•P2点合位移峰值约 0.25 mm，E1 峰值约 1.7×10³ με；

•P0点合位移峰值约 0.06 mm，E1 峰值约 1.1×10³ με。

在约 10.1 毫秒时，P1点合位移已达到 0.1612 mm；至 13.0 毫秒时增至 0.3136 mm，接近该点响应峰值；16.0 毫秒后回落至 0.2646 mm，19.0 毫秒时进一步降至 0.1229 mm。同一时刻，P2点也由 0.0959 mm 快速增至 0.2369 mm。两个位置点具有相近的响应节拍，但幅值不同，说明冲击载荷进入轮毂后，局部结构并非同步、等幅变形。P0点则呈现更复杂的低幅波动，反映出不同区域对同一冲击事件具有不同的动态响应。

本案例形成的是“全场位移—E1应变热点—应力集中评估”的技术链路。这组数据既能说明冲击后结构响应的空间分布，也为后续有限元模型标定、铺层设计和界面评估提供了可追踪的实测依据。

只追踪锤头的单一点，能够获得位移，却难以判断落锤是否发生倾斜、转动或局部姿态变化。本次在落锤表面选取六个特征点，同时提取各点的位移与速度，为落锤的刚体运动与姿态分析提供了多点约束。

关键帧给出了清晰的时间节点：38.1毫秒时，六点合位移处于约 98.2 至 101.7mm；52.7毫秒时，达到约 130.7 至 134.4 mm，进入接触与位移峰值附近；84.5毫秒时，回落至约 59.2 至 60.8mm，落锤已进入回弹阶段。在约134mm 的总运动行程内，六点之间的位移差保持在毫米级，表明落锤在下落和回弹主体阶段保持了较稳定的整体姿态；接近冲击时刻的多点差异，则提示存在小幅姿态调整或面外运动分量。

运动学曲线给出的冲击特征同样明确：VY速度在接触前约为 -2.5m/s，接触后快速换向至约 +2.4 至 +2.5 m/s，显示轮胎—轮毂系统在本次工况下产生了明显的弹性回弹；DX横向位移最大约 3.05mm，说明冲击过程存在小幅横向耦合。VT曲线在接触窗口出现约 0.4 至 0.5 m/s 的谷值，随后恢复至约 2.4 至 2.5 m/s。软件差分得到的 AY 加速度曲线在接触附近形成显著尖峰，峰值约 8×10⁵ mm/s²，约合80g。

深视智能 SH6-113 高速相机，配合运动分析模块与 DIC 软件，能够有效实现复杂机械结构与复合材料在落锤冲击等瞬态工况下的形变可视化与定量分析。

该方案不仅准确表征了轮胎的吸能缓冲与轮毂的局部形变，亦为同类高速运动场景（如结构件跌落、碰撞分析等）提供了一套具备高时空分辨率的实验手段。