冰力学研究新视角：采用DSE三维全场应变测量系统精准量化压缩变形演化
极地航行与海洋工程中，研究冰的强度、脆性、破碎过程以及与结构的相互作用，是设计抗冰船舶和海洋结构物、确保航行与作业安全的根本依据。DSE三维全场应变测量系统具有非接触、全场测量等优势，精准捕捉冰从变形到断裂的全过程应变数据，为极地工程中晶体材料损伤机理研究提供了关键技术解决方案。
一、背景
随着极地航行的开辟和极地资源的勘探，船舶和海上平台（如钻井平台、风力发电机基础）必须能够承受海冰的巨大冲击力和挤压力。研究冰的强度、脆性、破碎过程以及与结构的相互作用，是设计抗冰船舶和海洋结构物、确保航行与作业安全的根本依据。不准确的力学模型可能导致灾难性事故。
二、 传统测量手段及痛点
传统的测量方式难以深入揭示这一机理，因此，精确获取加载过程中冰的全场变形演化数据，成为揭示其破坏机理的关键。
传统接触式测量方法：
- • 引伸计：仅能提供标距内的平均应变，无法反映局部变形与非均匀应变场；
- • 应变片：虽可测量点应变，但信息有限，粘贴工艺易干扰冰体本身，且在低温环境中可靠性下降。
传统测量方案局限性：
- • 仅提供离散或平均数据，难以捕捉复杂变形场；·
- • 无法可视化损伤萌生与扩展过程；
- • 传感器可能干扰试样真实性；
- • 低温环境进一步增加了实施难度。
三、 新的测量手段：DSE系统的优势方案
联恒光科的DSE三维全场应变测量系统，基于数字图像相关技术（DIC）技术，采样非接触光学测量方法，通过在试件表面制作散斑，利用相机采集连续变形图像，通过软件计算全场位移与应变分布，有效克服了传统测量方案的不足。
DSE系统的特点优势：
- • 全场可视化：以云图形式直观展示全表面应变分布，精准定位应变集中区与裂纹萌生位置；
- • 高分辨率量化：可实现微米级位移测量，捕捉细微变形演变；
- • 非接触测量：完全不干扰试样，尤其适用于脆弱易变的冰体；
- • 动态过程记录：支持从起始加载至最终破坏的全历程分析；
四、 应用案例：基于DSE的淡水冰单轴压缩破坏分析
实验信息：
- • 试样：带散斑的立方形淡水冰
- • 环境：低温室环境（-10℃）
- • 加载：单向向下压缩，速率10mm/min
- • 采集：采用DSE三维持续采集冰块表面连续变形图像
分析结果：
- • 在弹性阶段，应变场分布均匀，可准确计算弹性模量；
- • 接近屈服时，DIC清晰捕捉到局部剪切应变带的形成，揭示塑性变形早期区域；
- • 在破坏阶段，成功追踪主裂纹从产生、扩展至贯穿的全过程，并实现裂纹扩展速度与张开位移的定量分析；
- • 全场数据明显展示出冰由均匀变形至应变局部化、最终发生脆性断裂的完整失效路径。
本案例表明，DIC不仅支持提供传统强度指标测量，更完整揭示了冰受压下的破坏机理与演化过程，体现出传统方法无法实现的数据维度和分析深度。
五、总结
对低温环境下冰块压缩性能的研究已从传统的“结果导向”（只关注强度值）进入到了“过程导向”（关注变形损伤演化全过程）的新阶段。DSE三维全场应变测量系统作为一种强大的非接触式全场光学测量方法，完美地解决了传统测量手段的痛点，能够无损、高精度地捕获和量化冰材料在载荷下的复杂变形行为。系统使得研究人员能够：
- • 揭示机理：直观看到应变局部化、裂纹萌生与扩展等关键过程。
- • 建立模型：为基于物理的本构模型和损伤失效模型的建立与验证提供丰富、可靠的数据支撑。
- • 预测行为：更准确地预测冰结构在复杂载荷下的安全性和寿命。
DSE三维全场应变测量系统，将持续在低温冰力学乃至更广泛低温材料研究领域中发挥作用，推动对此类特殊环境材料行为的认知边界。
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