冰力學研究新視角：采用DSE三維全場應變測量系統精準量化壓縮變形演化
??極地航行與海洋工程中，研究冰的強度、脆性、破碎過程以及與結構的相互作用，是設計抗冰船舶和海洋結構物、確保航行與作業安全的根本依據。DSE三維全場應變測量系統具有非接觸、全場測量等優勢，精準捕捉冰從變形到斷裂的全過程應變數據，為極地工程中晶體材料損傷機理研究提供了關鍵技術解決方案。
一、背景
隨著極地航行的開辟和極地資源的勘探，船舶和海上平臺（如鉆井平臺、風力發電機基礎）必須能夠承受海冰的巨大沖擊力和擠壓力。研究冰的強度、脆性、破碎過程以及與結構的相互作用，是設計抗冰船舶和海洋結構物、確保航行與作業安全的根本依據。不準確的力學模型可能導致災難性事故。
二、 傳統測量手段及痛點
傳統的測量方式難以深入揭示這一機理，因此，精確獲取加載過程中冰的全場變形演化數據，成為揭示其破壞機理的關鍵。
傳統接觸式測量方法：
- ? 引伸計：僅能提供標距內的平均應變，無法反映局部變形與非均勻應變場；
- ? 應變片：雖可測量點應變，但信息有限，粘貼工藝易干擾冰體本身，且在低溫環境中可靠性下降。
傳統測量方案局限性：
- ? 僅提供離散或平均數據，難以捕捉復雜變形場；·
- ? 無法可視化損傷萌生與擴展過程；
- ? 傳感器可能干擾試樣真實性；
- ? 低溫環境進一步增加了實施難度。
三、 新的測量手段：DSE系統的優勢方案
聯恒光科的DSE三維全場應變測量系統，基于數字圖像相關技術（DIC）技術，采樣非接觸光學測量方法，通過在試件表面制作散斑，利用相機采集連續變形圖像，通過軟件計算全場位移與應變分布，有效克服了傳統測量方案的不足。
DSE系統的特點優勢：
- ? 全場可視化：以云圖形式直觀展示全表面應變分布，精準定位應變集中區與裂紋萌生位置；
- ? 高分辨率量化：可實現微米級位移測量，捕捉細微變形演變；
- ? 非接觸測量：完全不干擾試樣，尤其適用于脆弱易變的冰體；
- ? 動態過程記錄：支持從起始加載至最終破壞的全歷程分析；
四、 應用案例：基于DSE的淡水冰單軸壓縮破壞分析
實驗信息：
- ? 試樣：帶散斑的立方形淡水冰
- ? 環境：低溫室環境（-10℃）
- ? 加載：單向向下壓縮，速率10mm/min
- ? 采集：采用DSE三維持續采集冰塊表面連續變形圖像
分析結果：
- ? 在彈性階段，應變場分布均勻，可準確計算彈性模量；
- ? 接近屈服時，DIC清晰捕捉到局部剪切應變帶的形成，揭示塑性變形早期區域；
- ? 在破壞階段，成功追蹤主裂紋從產生、擴展至貫穿的全過程，并實現裂紋擴展速度與張開位移的定量分析；
- ? 全場數據明顯展示出冰由均勻變形至應變局部化、最終發生脆性斷裂的完整失效路徑。
本案例表明，DIC不僅支持提供傳統強度指標測量，更完整揭示了冰受壓下的破壞機理與演化過程，體現出傳統方法無法實現的數據維度和分析深度。
五、總結
對低溫環境下冰塊壓縮性能的研究已從傳統的“結果導向”（只關注強度值）進入到了“過程導向”（關注變形損傷演化全過程）的新階段。DSE三維全場應變測量系統作為一種強大的非接觸式全場光學測量方法，完美地解決了傳統測量手段的痛點，能夠無損、高精度地捕獲和量化冰材料在載荷下的復雜變形行為。系統使得研究人員能夠：
- ? 揭示機理：直觀看到應變局部化、裂紋萌生與擴展等關鍵過程。
- ? 建立模型：為基于物理的本構模型和損傷失效模型的建立與驗證提供豐富、可靠的數據支撐。
- ? 預測行為：更準確地預測冰結構在復雜載荷下的安全性和壽命。
DSE三維全場應變測量系統，將持續在低溫冰力學乃至更廣泛低溫材料研究領域中發揮作用，推動對此類特殊環境材料行為的認知邊界。
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