立体DIC技术：碰撞测试测量新篇章

作者：Alex Chang，项目工程师

文章类型：可行性研究 -EikoTwin工具应用于碰撞试验

关键词：虚拟测试–DIC测量–比较测试计算

碰撞测试 是产品开发和认证的关键环节，尤其是在汽车、航空和铁路行业。这些测试模拟碰撞或冲击场景，以评估产品的阻力和安全性。反向弹射器是众多实验设备中最常被用于此类测试的设备，这是一种高速投射物体的装置（测试时投射的物体即是假人及其座椅），产生模拟高强度撞击的力脉冲 。长期以来，在碰撞试验过程中，一直使用局部应变仪测量座椅的变形。然而，这些测量仪不能测量座椅的整个变形场。因此，我们提出了利用DIC技术来测量座椅变形的方案。该测量方案还可以跟踪假人动作（在其身体某些部位预设标记定位，进而测量目标的位移）。值得关注的是试验过程中使用相同的相机系统通过跟踪标记就可以测量座椅变形和人体模型位移。采用立体DIC技术测量座椅不同位置的变形，特别是用于控制通过计算检测到的可能的薄弱环节时，可以根据测量到的约束条件调整部件的尺寸，当然也可以为要建模 或模拟的复杂区域中的计算提供数据。

在此次的碰撞测试案例研究 中，我们使用EikoTwin Virtual软件创建了一个虚拟碰撞测试环境，预定位了立体摄像系统，并记录了测试的图像。然后，我们使用EikoTwin DIC软件对图像进行处理，以计算假人的位移和座椅的变形。

虚拟测试原理-使用EikoTwin virtual创建用于DIC实验的虚拟碰撞测试

为了创建虚拟测试，使用建模和3D渲染软件是必不可少的。从这个角度来看，最初为动画电影行业开发的Blender软件被证明是我们使用的一个特别棒的工具。使用Blender,我们可以创建具有所有必要特性的相机，定位相机，拍摄和导出具有真实材质和灯光渲染的图像。尽管Blender最初是为动画行业设计的，但通过多次实验，我们已经成功将该软件转换为适用于DIC测量和创建虚拟测试的工具-EikoTwin Virtual。

EikoTwin Virtual由ModelConverter工具和BlenDIC插件组成。ModelConverter将在有限元 软件（如Abaqus或Hyperworks）中创建的模型和模拟结果转换为可以导入Blender的VTK格式。BlenDIC插件集成了Blender中创建虚拟测试所需的工具。

我们使用Abaqus创建了一个人体模型坐在座椅上的简化模型，对其施加应力 以模拟类似于碰撞测试的位移。然后我们将此模拟导入到EikoTwin Virtual中。

EikoTwin Virtual: 散斑 & 标记

首先，我们在座椅上制作散斑，以便使用DIC技术进行变形测量。同时将标记固定在人体模型的某些区域（头部、肩部、臀部、膝盖、脚踝），以跟踪他们在测试过程中的运动。

EikoTwin Virtual: 相机的定位

设置两台摄像机的空间定位时，要注意覆盖整个关注区域。相机之间的特定角度为30°，并确定清晰度区域。

EikoTwin Virtual: 相机视图

两台相机拍摄的图像在Blender上实时渲染 。

Blendic: 散斑尺寸和分辨率

基于相机的分辨率和视场，可以确定散斑的最佳尺寸（此处为2.5 mm）。需要特别关注的是每个网格元素有几个点以及每个点有几个像素，以允许图像相关性的收敛，如在图像中所见。

EikoTwin Virtual: 生成用于图像相关性的碰撞测试虚拟图像

在EikoTwin virtual上创建虚拟试的最后一步是生成虚拟映像并将其导出。

使用EikoTwin DIC软件测量的可行性验证

EikoTwin DIC：虚拟图像 的后处理

在获得测试图像后，下一步是使用EikoTwin DIC软件来评估图像相关性计算的收敛性 。这一步骤对于验证所得图像能否准确测量零件的变形和位移至关重要。将图像和网格导入EikoTwin DIC后，一定要做好相机校准。该步骤根据图像计算两个相机的投影矩阵 。

完成该步骤后，就可以将模拟网格投影到图像上，来测量零件上的位移和变形。

碰撞试验图像相关性测量结果

EikoTwin DIC：位移计算|结果

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图10：位移场在摄像机图像上的投

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图11座椅位移场和标记位移随时间

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图12：座椅位移场随时间的变化

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图13：座椅变形场随时间的演变

EikoTwin DIC: 对比试验 /计算|位移

使用EikoTwin DIC软件，可以直接可视化测试和模拟之间的位移差场。由于虚拟测试是根据模拟创建的，理论上差异应该为零。因此，这种差异告诉我们测量的准确性和实际测试中可能遇到的最小不确定性。

图14是座椅位移差异场随时间的变化（视频）

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图14：座椅位移差异场随时间的变

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图15：座椅变形差异场随时间的变

EikoTwin DIC: 标记的跟踪

EikoTwin DIC软件的另一个有趣的功能是跟踪标记。在第一步中，我们在人体模型上放置了标记来测量它的动作。通过将图像导入EikoTwin DIC，可以指示每个图像中标记的位置，并测量它们随时间的位移。

在软件界面中，可以在三维视图中看到标记的计算点和结果曲线 。头部标记的结果被绘制为沿着X和Z轴的位移作为时间的函数，以及通过绘制Z位移作为X位移的函数的头部轨迹。可以在图表上比较测试结果和计算结果。

Hyperworks导出

EikoTwin DIC中的最后一步是导出结果。可以将结果导出为不同的格式，以适应不同的建模软件。然后可以将结果导入HyperWorks中，如下所示。

日程表

针对冲击测试试验，我们写了这个时间表，它展示了测试和计算之间的沟通情况。

时间表有两个利益相关者：设计办公室和测试实验室。设计办公室已经对碰撞试验 进行了模拟，并希望验证和改进其模型的结果。因此，他们需要实验室进行真正的碰撞试验。测量是用几个摄像头进行的。为了避免在实际测试中定位这些相机的困难，设计办公室和实验室与EikoTwin Virtual一起进行了预研究。这一步骤可以预设置测试活动并降低风险，并且只执行一次实验即可。在测试当天，该过程增加了一个额外的步骤：应用散斑进行图像相关性。

然后，实验室将图像发送到设计办公室，以便对数据进行后处理，并使用EikoTwin DIC对真实测试和模拟进行比较。最后，设计办公室可以使用测试结果进行检查，并在必要时使用EikoTwin DigitalTwin更新模拟。

结论

总之，本文介绍了使用EikoTwin工具进行碰撞测试的可行性研究。立体DIC技术的使用允许测量整个座椅变形场，并跟踪假人，通过跟踪假人身体某些部位预设置的标记来测量并确定其位移。使用EikoTwin virtual创建的虚拟测试用于模拟类似于碰撞测试的位移图像，这些图像导入到EikoTwinDIC软件中用于高精度测量座椅变形和假人位移。

所获得的结果很有希望，并显示了EikoTwin工具在提高汽车、航空航天 和铁路行业碰撞测试的效率和准确性方面的潜力。使用这些工具可以更好地了解产品变形和失效机制，减少开发成本和时间。

一句话，这项可行性研究使EikoTwin工具在工业中更广泛地应用迈出一大步，并为碰撞测试的创新开辟了新的机会。