面向大型振动台试验的高频动态位移测量：高速DIC技术的适用性研究

前言：

在进行大型模型（如桥梁缩尺模型、建筑结构、机械平台等）的振动台试验时，准确、全面地获取结构在动态载荷下的位移响应，是评估其抗震性能、验证计算模型的关键。

传统振动台试验受限于传感器布置与测量数据，难以捕捉结构在强震下的全场动态变形。

大型结构振动台试验必要性

1、不可替代性

真实地震无法复现，振动台是唯一能精准控制地震波输入、模拟结构动力响应的实验平台；

2、高阶振动捕捉

高速DIC技术可捕捉大型结构在高阶振动下的全场位移分布，高阶振型演变规律；

3、安全预警需求

量化振动模态切换时的应变集中区域，捕捉结构裂缝萌生、局部屈曲等非线性行为。

本项目针对某大型结构（底座3m、高约7m），在六自由度振动台上模拟地震作用，引入新拓三维XTDIC-SPARK三维高速测量系统，高速数字图像相关技术（DIC）实现非接触式位移场高精度动态捕捉。底座位置处布有接触式位移计，对比两种测量方法测试结果，验证高速DIC测量技术的可靠性。

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         高速DIC技术测试分析目标

全域测量：获取模型关键区域（支撑底座）固定框架位移场和应变场

动态特性：识别结构在破坏性振动中的工作振型与变形模式

验证可靠性：与接触式位移计结果交叉对比，量化高速DIC测量精度，建立可靠性标准。

传统位移计 vs 光学DIC技术对比

挑战：大型结构振动台试验位移测量的瓶颈

在进行大型模型的振动台试验时，传统接触式位移测量方法（如拉绳式位移计、LVDT）存在显著局限：

指标	接触式位移计	高速DIC技术
测量维度	单点/局部（需预埋传感器）	全场（数万测量点云）
安装影响	附加质量效应，改变结构动力特性	完全非接触，无干扰
动态响应	低频适用，高速易丢帧/断线	≥1000Hz采样，抗振动干扰
数据维度	只能测量安装位置的点位移	测试后可在软件中调整分析区域，识别位移与振型。

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        高速DIC测试过程与具体步骤

晶圆热应变测量系统基于数字图像相关法原理，主体由XTDIC-CONST三维全场应变测量系统测头和高低温试验箱构成。系统可用于测量各种温度相关实验，支持测量应变场、位移场等多种数据。

技术实施要点与过程

1、编码点布设

在试验模型支座固定框架布置编码点，便于系统识别并精确定位其空间坐标。

2、双高速相机布局

 将高速相机架设于振动台正前方，确保完整覆盖整个试验模型和高频振动的捕捉能力。

3、同步触发

新拓三维高速DIC测量系统与振动台控制系统、接触式位移传感系统，实现精确时域信号同步触发，确保数据时间轴一致。

4、高速动态拍摄

 振动台按照预设地震波进行模拟地震振动。高速相机在试验过程中连续高速采集模型表面图像序列。

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        高速DIC技术VS位移计测试结果

为验证高速DIC测量技术的可靠性，选取了底座、主梁、横梁几个关键位置，将高速DIC提取的关键点位移时程数据与现场安装的LVDT在同一位置的测量结果进行详尽比对。

比对指标：

• 数据曲线吻合度（包括峰值、相位、波形特征）。

• 关键位移峰值差值的绝对值和相对误差。

• 相关性分析（Pearson相关系数等）。

高度一致的时程曲线： 高速DIC编码点测量的位移时程曲线，与对应的LVDT曲线在波形、相位上展现出极高的同步性与相似性（见下方典型曲线图）。

位移计测量值

高速DIC测量系统测量值（329-349）差值

结语

Summary

• 振动台试验通过模拟真实荷载（如地震波）作用于缩尺或全尺寸的结构模型，评估其抗震性能、动力稳定性及破坏模式。

• 直接反映结构在动态荷载下的非线性行为，弥补了数值模拟（如有限元分析）的不足。

• 检验抗震设计，新型结构体系的可靠性，预测结构损伤程度，为结构加固和修复提供依据。

• 高速DIC技术，可捕捉完整的空间三维动态信息，解决了大型、复杂结构在剧烈振动下全域位移测量的核心难题。