光弹应力分析简介

mikeyon · 发表于 2013-5-9 09:54:16

一、光弹性的发展历史介绍
光弹性法开展较早,在20世纪20年代初就解决了一系列弹性力学的难题。在30年代发现了应力冻结现象,解决了三维问题。40年代以后,由于仪器设备的改进,新的模型材料的采用和计算方法的提高,光弹性已成为较为完善的技术了, 在生产中起了重要作用。60年代激光的出现,提供了一种相干性特别好的光源, 将这一光源引入到光弹性中出现了全息光弹性。近年来计算机的出现,特别是计算机图像处理技术的发展,加上接收信息的CCD摄像机的发展,可省去全息光弹性方法显影和定影,直接在计算机上显示结果,这一发展引起了学术界的关注。目前的光弹性法一方面向自动化、计算机化发展,另一方面向更广阔的领域中渗透, 在汽车、动力、土建水利、生物力学、航天、航空、机械制造等方面都得到了广泛的应用。
目前的光弹性法大致有以下几个主要分支:
1、三维光弹性􀀁
实际工程构件的形状和载荷都比较复杂,其中大多属于三维问题。而在三维光弹性应力分析中,比较成熟的是冻结应力切片法。用光弹性材料制成的模型,在室温下承受载荷时产生双折射现象,当把载荷撤掉后其光学效应随即消失。在高温下也能观察到这种现象。但是,一个承受载荷的环氧树脂模型,从高温(约100~ 130℃)逐渐冷却至室温后再撤掉载荷,则模型在高温下具有的光学效应可以被保存下来,称为应力冻结现象。然后从冻结应力的模型中截取适当的切片, 并对切片中的条纹进行分析计算,就可以得到相应地应力分布情况。这种方法的特点是:清晰直观,它能直接显示应力集中区域,并准确给出应力集中部位的量值。特别是这一方法不受形状和载荷的限制,可以对工程复杂结构进行应力分析。
2、散光光弹性􀀁
当光线通过透明的各向同性材料介质时,它沿着所有方向都有散射。这种散射光是由悬浮于材料介质中的微小颗粒和材料的分子本身引起的,而且散射光总是平面偏振光,它的光强不仅和入射光的偏振特性有关,还和产生散射的材料介质的应力状态有关。因此,可以通过对模型中散射条纹的分析,得到实际的应力分布情况。这种方法的优点是:第一,不需切片。即不必破坏模型,这样模型可以反复使用,节约材料。第二,不需冻结。这样避免在冻结时引起的大变形和模型材料泊松比的变化所带来的误差。
3、双折射贴片法􀀁
该方法是将光弹材料薄片(通常约1~ 3mm) 粘贴到被研究的结构物的待测表面上,它随结构物的变形而变形,因而产生双折射效应。当偏振光入射到受载结构表面的光弹性贴片时,经贴片的上下表面反射,形成干涉条纹,然后通过分析计算便可得到结构物表面上的应力大小和方向。贴片法是普通光弹性法的发展,它既具有普通光弹性法的直观、全场测试等优点,且又使之能够直接对原型结构进行现场测试,也可用于不透明材料制作的模型上,从而扩大了光弹性法的应用领域。
4、全息干涉法􀀁
由于激光光源的出现,使全息照相技术得到了迅速的发展,进而在光弹性实验中也引用了全息干涉法。其中最常用的是两次曝光法,即在模型不受力时通过模型的物光与参考光在全息底片上发生干涉,曝光一次；然后给模型加载,再使通过受力模型的物光与参考光在同一张全息底片上干涉,进行第二次曝光。通过分析底片上的二次曝光图即可得到模型的受力情况。这种方法也具有非接触式测量、全场测量、灵敏度和精度高等优点。
二、光弹实验原理的阐述
光弹性实验是一种用光学方法测量受力摸型上各点应力状态的实验应力分析方法。它是采用具有双折射性能的透明材料，制作与实际构件形状相似的模型，并在模型上施加与实际构件形状相似的外力，把承载的模型置于偏振光场中，在承受一定荷载之后，放置于偏振光场中会显现出与应力场有关之光学干涉条纹，可借着观察光学条纹了解主应力方向与应力分布情形。由于简单构件在拉伸、压缩、扭转和弯曲变形下，其应力分布与材料的弹性常数E和μ无关，因此实际构件中的应力可以运用相似原理，由模型的应力换算出来。
根据光的波动理论，由光源发出的光经过偏振片P成为平面偏振光，它通过在应力作用下，用具有光敏性材料制成的模型后，产生双折射，使光沿着两个主应力方向分解为两个折射路、率不同的平面偏振光，其传播速度不同，产生光程差δ当检偏镜A的震动轴与起偏镜P震动轴正交时，这样光通过A镜后，就变成了与A镜震动轴平行的平面震动波，并产生光干涉现象。
总结来说，光弹性实验方法是光学与力学紧密结合的一种实验技术，具备有实时性、非破坏性、全域性等优点。

[资料] 光弹应力分析简介

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