焦散线方法实验

《焦散线方法实验》由会员分享，可在线阅读，更多相关《焦散线方法实验（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、焦散线方法实验焦散线方法实验一一 实验目的实验目的焦散线法为动态断裂力学研究提供了一种有效的实验方法，它不仅具有较高的测量精度，设备简单，更重要的是只要测量一个几何长度焦散斑直径，就可以确定裂纹尖端的应力强度信息。通过本实验，可使学生掌握焦散线法的测量原理和相关测试技术。通过观察反映应力强度信息的焦散斑图，测量焦散斑特征尺寸，进而计算裂纹尖端的应力强度因子。二二 实验实验内容内容1 介绍焦散线法基本原理，由焦散斑特征尺寸计算应力强度因子的方法。2 掌握多火花高速摄影系统光路调节步骤，延时系统、落锤系统的使用方法。3 对复合材料试件进行冲击实验，拍摄裂纹尖端的焦散斑。4 掌握冲洗胶片的方法。5

2、由拍摄的焦散斑图像计算应力强度因子。三三 焦散焦散线线方法原理方法原理焦散线可以分为透射式焦散线和反射式焦散线两种。其中，光线透过测试试件而形成的焦散线为透射式焦散线；光线经试件表面反射形成的焦散线为反射式焦散线。透射式焦散线方法既需要考虑试件表面的离面位移，又要考虑试件内部由于折射率的变化而引起的光线偏移。反射式焦散线方法只需要考虑试件表面的离面位移。但是，反射式焦散线方法的光学系统往往更复杂，其试件也要很平整且有良好的反射性能。图 1-1 I 型裂纹反射焦散线 图 1-2 复合型裂纹透射焦散线下面根据几何光学原理，以反射焦散线为例建立变形物体表面上点与反射在像屏上像之间的关系，该关系成为焦

3、散线构成原理的基础。首先，考察平行于轴三维光线照射到因受力变形而凹陷的物体，在试件表面上某点 p 经反射在参z考平面上得到像 P，如下图：(a)(b)图 2 反射焦散线的形成原理参考平面试件0z裂纹试件平面X),(yxpyY)Y,X(P入射光线Z Z写成矢量形式(1)ffwrW其中(2) ),(20yxgradfZwyjxirf式中，为像平面上方向的单位矢量， 为 p 点在物体不变形的像, jiYX，r位置矢量，为该像在考虑物体变形引起的偏离矢量，f(x,y)为 p 点由于变形1Pfw引起的光程差，为试件到成像平面的间距。0Z对于厚度为的平板平面应力模型，受力变形引起厚度改变形成光程差d，根据

4、胡克定律),(yxf(3)zdyxf),(2将上式和(6)式代入(5)式，得到像点位置与物点位置关系的映射方程(4)zfdgradrW0Z焦散线可理解为试件上某曲线附近无穷多个点映射到像平面某一个点处汇聚形成的一条奇异曲线。根据衍射理论，焦散线产生的充分必要条件是映射方程的 Jacobian 行列式为零： (5)0),(),( Y rYX rXrYXJ求解上式可以得到初始曲线方程和焦散线方程，由焦散线方程可以建立焦散斑特征尺寸同应力强度因子之间的关系。dK1的计算公式为（6）250251)17. 3(322D cdzKeff其中， 为焦散光学常数， 为试件的有效厚度。对cEnBAc) 1( 2

5、effd于反射情况，为试件厚度。所以。2, 1, 0ddnBAeffd2,2ddEceff四四 反射焦散反射焦散线线法多火花法多火花摄摄影系影系统统光路光路调节调节图 3 反射焦散线的实验光路1建立校准光路 调节激光源支架底座螺丝使其俯仰方向竖直。 在支架横梁上用胶布固定一激光器，粗调激光器高度使其与 44 光源面板中心等高（为 1.22 米）； 通过铅锤调节火花发生器底座螺丝，使光源面板处于竖直状态。 在光源面板中心处放置一小平面镜，使平面镜紧贴面板（即保持竖直），反射回激光束，调节激光器，当反射光照射到激光器光源处时，则激光束水平且垂直于面板。 保持激光器不动，调节支架，使激光照射到光源面

6、板支架中心处。这样，激光束与 44 光源面板主光轴重合。注：激光器距离光源面板距离尽量远，以减小调节误差；此后以此激光光路作为校准光路，不能再改变激光器位置。2放置场镜（凸透镜焦距为 155mm） 调节前光具座使其与光源面板垂直。这样保证放在前光具座上的光学器具主轴能同时与光源面板主轴重合。 在前光具座上放置前凸透镜。使凸透镜距光源面板距离为 155mm，此时，激光汇聚到面板上一点处，调节透镜高度， 使汇聚点到达面板中心高度处。左右调节前光具座（调解中时刻保持光具座与光源面板垂直），直至汇聚点到达光源面板中心处。此时透镜光轴与 44 光源面板主光轴重合。 在前光具座上前透镜后放置半反半透镜。使

7、半反半透镜与激光束成 45(关灯，利用画上直角的纸板，使光线掠过纸面沿直角一边入射，调节镜面方向使反射光在直角另一边上)，调节半反半透镜位置，使反射光照射至相机面板中心处。 调节后光具座位置使其对准半反半透镜中心且垂直于相机面板。 在后光具座上放置后凸透镜。使凸透镜距相机面板距离为 155mm，此时，激光汇聚到面板上一点处，调节透镜高度，使汇聚点到达面板中心，此时透镜光轴与相机面板中心重合。 通过甸块调节落锤试验机上放置试件的支架的高度，使激光光路（相机主光轴）基本通过试件。用 502 胶将各层垫片间粘牢形成固定支架（支架底座与工作台面间保持可自由移动。注：1、场镜放置完毕后不可触碰以免改变位

8、置。2、光具座都是固定在桌子上，且与桌子一边垂直。调节时只需改变桌子位置来改变光具座位置。3相机调焦 关闭激光器。在光源面板上挂上 44 电灯光源，将前凸透镜向后移动 5cm（为保证电灯光源面板处于透镜的焦平面上）。可看到光源成 44 像点于相机面板上。 在落锤试验机上放置试件处放置一平面镜，调节平面镜使 44 像点与面板上44 镜头中心重合。 如测量材料受压应力集中，在半反半透镜与后凸透镜之间放置透射型分划板；如测量裂纹受拉伸扩展，则在试件后放置反射型分划版。调节分划版高度与光路主轴等高（在试件后需将反射分划版放置于三脚架上）。 取出相机的底片盒后盖，保留玻璃板与相机上，持一目镜紧贴相机暗箱

9、背面玻璃板，通过目镜观察分划板（先将目镜对准某一镜头，观察到分划板后，缓慢移动目镜，观察全部分划板）。 如分划板上标记不够清晰，松开暗箱下面的锁紧螺丝，旋转丝杠，调节相机暗箱长度，直至分划板上标记清晰，旋紧螺丝，固定暗箱。 记录从试件处经光路到分划板的距离，此值为（受压为经由平面镜的距离；0z受拉为直接距离）。 将前凸透镜向前移动 5cm，恢复原位置。4实验前调节每次实验前，在落锤试验机上放置试件，须在光源面板上挂上 44 电灯光源，调整试件位置直至光源成的 44 像点与面板上 44 镜头中心重合。此时固定试件，取下 44 电灯光源，开始实验。五反射型多火花高速五反射型多火花高速摄摄影系影系统

10、统中各中各仪仪器的使用器的使用1动态冲击机此设备为中科院长春科仪定制产品，其设计要求便是更好的测量动态冲击试验，其具体操作步骤如下： 插上试验机电源，接通。打开电源开关。 将电磁铁控制钮置于“释放”状态，即将绿键释放一端按下。转动钥匙，使电磁铁装置上升约 20cm。并根据需要装上适当重量的锤头。 安装并调整试件的位置。注意：不要将手放入落锤头下方，以免被砸伤！ 抬起锤头靠近电磁铁，并将电磁铁控制钮置于“吸合”状态。再转动钥匙，使电磁铁装置及锤头上升到所需的高度。 上述准备工作完毕后，开始试验。将绿键按下，释放电磁铁，锤头落下冲击被测试样。 试验做完后，关闭所有的电源开关。注意：试验过程中的安全

11、性。2压电传感器本次试验所使用的是 5114 型力传感器及 3114 型电荷放大器。测量范围为60KN，力传感器装在冲击头上，并与电荷放大器相连，放大器调节步骤如下： 检查力传感器、电源连线的正确性，打开电源。 调节电荷灵敏度设置与力传感器相同。 调节增益控制为 1，使 1N 输出 1mV。3数字示波器本次试验所使用的示波器为 RIGOL 生产的 DS-3000B 数字存储示波器。我们试验所采集的信号来自于两个信号源。一个是冲击头下的力传感器，另一个是试验瞬间侦测捕捉电火花放电的光电转换装置。试验中通过调节触发信源使示波器通过力传感器触发。但应注意调节触发电压的大小，如果触发电压太小，示波器无

12、法完成单次触发（即可能在还没有冲击载荷的时候就触发了），如果触发电压太大，示波器将无法触发。最后我们还应注意的是示波器 X-Y 坐标单位的大小，不能使示波器在测试过程中超出显示范围（这样将无法显示全部图形），当然也不能缩得太小，这样放大后会有失真。在具体实验中，我们可以在第一次调好并记录后，以后每次测量时调出以前的测试结果，按 RUN 键即可。具体操作步骤如下： 接通电源，打开电源开关。 将两信号源分别接在 CH1、CH2 通道上。 将水平控制和垂直控制分别调到适当大小及位置。 调节触发选项，设置“信源选择”为 CH1，设置“触发方式”为单次，其余使用默认设置。 转动“LEVEL”旋钮调节触发

13、电压高低。 按动 RUN 键，此时设备便处于等待状态。注意：每次实验前烤机 20 分钟。4延迟控制器此设备为北大力学与工程科学系制造的 DDGS-型多火花式高速摄影系统的延迟控制部分，工作最小闪光间隔为 5 微秒。每次实验前都要复位控制器，再设置各通道的幅间间隔时间，确认无误后便可启动触发系统。此仪器提供了三种触发方式：手动触发方式、通断方式、断通方式。按试验要求选择（此试验采用的是断通方式）。然后便进行点光源发生器的调节，首先在低压下调节测试控制与延迟工作的正常性，接着便可给高压极充电。具体操作步骤如下： 仔细检查电源是否接对，地线是否接妥，之后打开电源开关。 按“A”键，输入幅间间隔时间，

14、按“F”确认如需改动，按“B”取消。 调节触发方式，将触发方式调为断通方式。 完成上述步骤后，按“清零”键，再按“D”键，此时设备便处于等待状态。5高压调节器此设备为多火花式高速摄影系统的配套部分，专署控制试验机高压部分。具体操作步骤如下： 将高压直流电源的手轮逆时针转到底。 将电源旋钮转向“通”，绿灯亮。 用一只手将手轮逆时针转到底，同时另一只手按下绿色按钮“启动钮”，高压指示灯亮（红灯）。 慢慢按顺时针方向转动手轮，使电压升至所需的电压值（本机在相对湿度50以下时，充电电压为 1516KV 左右，充电时间为 60 秒）。六六试试件的制件的制备备在反射焦散线实验中，试件表明必须转移一层铝反射

15、膜，工艺如下： 玻璃板处理：先挑选平整度较好的玻璃板，经清洗、晾干后涂上一层光刻胶（胶用离心机甩均匀），再用真空蒸镀法在胶层表面镀上铝膜。 环氧树脂胶的制备：实验所用环氧树脂胶为 AB 胶，将 A、B 两种胶以三比一混合并搅拌均匀，然后放在离心机中甩均匀（大约十分钟）去除其中空气。 镜面转贴：用丙酮洗净试件表面，放好已镀好铝膜的玻璃板（铝膜朝上），在铝膜上涂上一层薄薄的环氧树脂胶，然后小心将试件放上，再在试件上压一定重量的砝码，以保证试件与环氧胶完全接触，且胶层的厚薄适中，待胶层完全固化（大约 24 小时后），去掉玻璃板，镜面就转贴到试件表面上了。铝膜和胶层的总厚度为 0.1mm 左右，铝膜和环氧胶都是脆性材料，而且其厚度相对于试件的厚度是很薄，所以对试件断裂过程的影响可以忽略不计。七七实验实验步步骤骤 检查各仪器连接、打开试验所用各仪器。 在试验台上放上试验试件，调整试件上下左右使反射光进入摄影机。 将各仪器调整到准备状态，在暗室（无光条件下）进行试验拍摄。 在暗房内洗影、上胶片。 由公式(5)推导初始曲线和焦散线方程，并根据焦散线方程得到焦散斑特征尺寸与应力强度因子的关系式。 测量获得的焦散斑特征尺寸，进而计算每一瞬时的应力强度因子。