高速相机应用案例 | DIC技术与运动分析在高尔夫球应力测量中的应用

本研究采用深视智能高速相机开展高尔夫球击打过程的DIC形变测量与高速运动分析实验。通过该实验同步获取球体全场形变和运动学参数，为高尔夫球功能性性能评估及专利侵权判定提供定量实验依据。

一、实验背景

高尔夫球运动对装备性能具有较高敏感性。作为运动过程中的唯一载体，高尔夫球的空气动力学性能与触感直接影响运动员的竞技表现，而这些性能在很大程度上取决于球体外表面的微观结构设计，即凹坑的几何形态与分布特征。

在实际击球过程中，高尔夫球所受载荷状态随球杆类型及击打速度的变化而存在差异：不同球杆（如木杆、铁杆、推杆）在击球瞬间对球体施加的载荷形式、作用区域与量值有所不同；不同击打速度则直接影响球体的变形程度与应变率。因此，对击打过程中球体形变的直接测量，是评估其功能性性能的关键环节。

然而，高尔夫球击打过程具有持续时间极短、形变幅度大、接触区域局部化等特点，常规测量手段难以在不干扰球体运动的前提下获取其全场形变数据。

本研究将DIC实验力学测量与高速运动分析相结合，构建面向高尔夫球击打过程的测量体系，在获取球体全场形变的同时同步提取其运动学参数，以获取运动学参数来作为高尔夫球专利侵权判定中的性能对比提供实验依据。

二、系统构成

本研究采用的实验系统主要由高速相机、光学镜头及光源组成，具体配置如下：

相机型号：SH6-116-M-80-24T

像素分辨率：1280×768

帧率：20000fps

镜头焦距：100mm

该配置用于实现高尔夫球在高速击打条件下的高帧率图像采集。1280×768的分辨率在保证帧率的同时，提供了足够的空间分辨率，可用于解析凹坑边缘的局部变形；20000fps的帧率能够完整记录击打瞬间的形变过程；100mm镜头配合220W光源，可在极短曝光时间内获得清晰、高对比度的散斑图像，为后续DIC分析及运动分析提供满足精度要求的基础数据。

三、核心优势

3.1 DIC分析

对采集的图像序列进行相关计算，重建球体表面的三维位移场与应变场，提取不同球杆与不同击打速度条件下的形变数据。

DIC分析结果表明，高尔夫球在被球杆击中的瞬间出现显著的大幅压缩形变。由DIC云图可直观观察到，球体在击打接触区域产生明显的局部压缩，形变区域随击打过程的推进而扩展。

该形变幅度明显大于球体在飞行阶段的变形量，表明击打瞬间是高尔夫球力学响应最为剧烈的阶段。同时，DIC分析所获取的形变数据与击打过程中球体的加速度变化可相互印证，共同反映击打过程中的力学响应特征。

3.2 运动分析

基于同一图像序列，对高尔夫球在击打后的运动状态进行追踪与分析，提取运动学参数。

运动分析结果表明，在球杆与高尔夫球接触过程中，球体形变与加速度之间存在明确的对应关系：加速度增大阶段，球体压缩形变加剧；加速度减小或方向改变阶段，球体形变随之调整。高尔夫球脱离球杆后进入飞行阶段，此时球体不再受到球杆的持续作用，在短时间内速度变化相对平缓，表面形变亦趋于稳定，未再出现击打瞬间的大幅压缩形变。

3.3 综合讨论

本研究通过DIC分析与运动分析的同步开展，呈现了高尔夫球在击打过程中的力学行为：击打瞬间球体发生大幅压缩形变，形变与加速度之间存在对应关系，脱离球杆后球体形变趋于稳定。

上述结果可为高尔夫球在不同球杆与不同击打速度下的功能性性能评估提供直接、定量的实验依据，也可为高尔夫球专利侵权判定中性能的科学比对提供参考。