光弹性技术测试应力

 

 

摘要：有机玻璃等透明材料在航空航天工业、建筑业、电子工业和汽车工业上有广泛的应用，如何测量其初始应力和加工应力，消除其对构件的危害影响，确保工程结构的强度与安全具有重大意义。本文采用光弹性法，当此种受力模型置于偏振光场中，就命观察到由这种暂时双折射而引起的干涉条纹即受力模型的等差线和等倾线图，从而获取受力模型的主应力差和主应力方向。然后，借助于一些辅助手段，如：全息光弹法或者斜射法可以测得模型内的应力。

关键词：等差线：光弹性；初应力

 

0 引 言

有机玻璃等透明材料在航空航天工业、建筑业、电子工业和汽车工业上有广泛的应用，如何测量其初始应力和加工应力，消除其对构件的危害影响，确保工程结构的强度与安全具有重大意义。如何确定材料内部应力的大小，调整残余应力的分布，减少或消除应力对工程的危害，已成为人们广泛关注的问题。

 

1研究现状

目前初应力的测试方法很多，按其对于被测材料是否具有破坏性而言，可分为有损测试法和无损测试法等两大类。参照目前已有的测量方法，综合比较其优劣，采用方案为：采用光弹性实验法，在设计产品或科研中有着广泛的应用叫。模型法是利用透明的塑料制成构件模型，其尺寸与构件几何相似，所加载荷也与实际构件上所受载荷相似，当模型受载时，模型中任一点沿其两个主应力方向的折射率不同，即产生暂时双折射现象。当此种受力模型置于偏振光场中，就会观察到由这种暂时双折射而引起的干涉条纹。

 

2光弹性实验仪结构

光弹性实验仪的光路如图1所示，光源发出的光束经准光镜变为平行光。通过起偏振镜后，变成只在一个平面内振动的平面偏振光，再通过第一个1/4波片，成为圆偏振光。模型后面依次为第二个1/4波片、检偏振镜、成象透镜、滤色镜、光栏等，最后在屏幕上成像。

 

2.1实验基本原理

当将图1中的一对1/4波片取下时，模型处于平面偏振光场中，起偏振镜后的平面偏振光人射受力模型某点时，光波将沿着该点的两个主应力方向分解为两支平面偏振光，而且这两支平面偏振光传播的速度不相等(此即暂时双折射现象)，因此，在通过模型后，这两支平面偏振光波使产生了光程差如图。

 

 

 

为了产生干涉条纹，通常在模型之后放置检偏振镜，其偏振轴与起偏振镜的偏振轴正交，见图3.

 

 

由分析可以得到，通过检偏振镜后，模型上任一点的光强由下式表示：

 

 

此时，屏幕上相应的点是黑暗的。若用白光作光源，由于白光是复色光，当主应力差a1一a2满足某一波长的（4)式时，该顺色即被干涉消光，而获得其补色，结果在屏幕上形成彩色条纹，等差线成为等色线图。

（2）当sin20=0,即0=0或0=，即模型上2某点的主应力方向与偏振镜的偏振光轴平行时，屏幕上该点也呈现黑点。模型中主应力方向相同的这些点形成黑色干涉条纹，称为等倾线。通常在白光下同步转动此两偏振镜，依次将不同参数的等倾线描绘在同一描图纸上，便可得到一张等倾线图。

为了分离等差线与等倾线，通常是采用圆偏振光场。在图4所示正交圆偏振光场中，屏幕上将仅得到等差线面使等倾线消失，这样便很容易得到等差线。这样，我们可以在圆偏振光场下得到等差线，而在平面偏振光场下，利用白光光源所获得的黑色条纹为等倾线。

 

材料条纹值f的确定：

根据等差线的基本关系式(4)，并利用应力分布有精确解的模型来测定叫。当模型受力时，模型内任一点的a:一:可以根据已知理论公式计算得到，再用前述方法确定此点的条纹级数，代入(4)式便可求出f值的大小。如图5所示为一径向受压圆盘，其中心点O的两个主应力分别为：

 

 

这就是利用径向受压圆盘测定材料条纹值f的公式。式中D为圆盘直径；n为中心O的条纹

级次。具体测量时，给圆盘加载至某一载荷P.，使某一条纹正好通过中心O，记下此时的Pi与相应的n，代人上式计算，可得f，然后求它们的平均值，即得f。它的常用单位为N/mm·条。

 

3实验与结论

图5和图6为实验结果。从图中可以看出，在圆偏振光场下得到等差线，而在平面偏振光场下，利用白光光源所获得的黑色条纹为等倾线，等差线与等倾线是光弹性实验的基本实验资料，根据它们，再加上一些辅助手段，便可求出模型内的应力分布情况（]。

 

 

本文通过光弹性实验能获取受力模型的等差线和等倾线图，从而得知主应力差和主应力方向，但是要具体计算出应力分量，还要用全息光弹测两应力之和，这样两者结合才能分解出主应力。

 

4结论

综上所述，根据采样与量化过程仿真分析可以得出：

（1)采样和量化使信号频谱发生变化，出现了新的频率分量——谐波和交调，降低了DRFM的有效发射功率，使得系统的工作能力变差。

（2）噪声的污染会使频谱变得更加复杂，对于一个系统，输出的信噪比取决于输入的信嗓比和系统内部的信噪比，因此噪声的存在必将降低DRFM的信噪比。

（3）总的来讲，谐波分量随频率增加降低，而交调分量随频率增加升高，也就是说高次谐波的幅度较低次的小，而高次交调的幅度较低次的大。

（4)当信号频率和采样率一定时，提高采样率或增加量化位数都可以起到抑制寄生信号的作用。具体来讲，提高采样率对交调有很好的抑制作用，而对谐波作用不明显；增加量化位数对交调和谐波都有很好的抑制作用。