光弹性贴片法

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1、第13章 光弹性贴片法第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法在构件表面粘贴一层光弹性贴片，当构件受力变形时在构件表面粘贴一层光弹性贴片，当构件受力变形时 ，随构建表面一起变形的贴片就将产生人工双折射效应，随构建表面一起变形的贴片就将产生人工双折射效应 ，用反射式光弹仪观察贴片，就可以得到等差线和等倾，用反射式光弹仪观察贴片，就可以得到等差线和等倾 线。这里的等差线表示等主应变差；等倾线表示主应变线。这里的等差线表示等主应变差；等倾线表示主应变 方向。利用等差线和等倾线，通过辅助计算或实验即可方向。利用等差线和等倾线，通过辅助计算或实验即可 求出构件表面各点的应变状态。求出构件表面各点的应

2、变状态。1 1n本章内容：n学习要求：（完成本章教学，计划使用（完成本章教学，计划使用2 2学时）学时）第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法了解反射光弹性仪；掌握光弹性贴片法基本原理，和非边界点了解反射光弹性仪；掌握光弹性贴片法基本原理，和非边界点 的应变分离方法；熟悉贴片材料的制作与粘贴工艺，贴片材料应的应变分离方法；熟悉贴片材料的制作与粘贴工艺，贴片材料应 变条纹值的标定方法，影响贴片法试验结果的主要因素等。变条纹值的标定方法，影响贴片法试验结果的主要因素等。13-1 13-1 反射光弹仪；反射光弹仪； 13-2 13-2 光弹性贴片法基

3、本原理；光弹性贴片法基本原理； 13-3 13-3 非边界点的主应变分离方法；非边界点的主应变分离方法； 13-4 13-4 贴片材料的制作与粘接；贴片材料的制作与粘接； 12-5 12-5 贴片材料应变条纹值的标定；贴片材料应变条纹值的标定； 13-6 13-6 影响试验结果的主要因素影响试验结果的主要因素2 2第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法13-1 13-1 反射光弹仪反射光弹仪图图13-1 国产产441型反射式光弹仪弹仪贴贴片法实验仪实验仪 器主要有两种：1.反射式光弹仪弹仪 ，用于现场现场 大面 积积的光弹弹性贴贴片测测量；2.

4、反射式偏光显显微镜镜，用与分 析很小的局部区域。图图13-1所示为为国产产441型反射式 光弹仪弹仪 照片。镜镜片视场为视场为 120mm，起偏镜镜与检检偏镜镜可同 步旋转测转测 量等倾线倾线 （主应变应变 方向 ），检检偏镜镜可单单独旋转转。带带有调调 节节方向的倾倾斜装置。光源：白光 灯、汞灯。3第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法图图13-2 反射式光弹仪弹仪 光路图图PQ1Q2A(a)V型光路贴贴片构件表面照相机PQ1Q2A45G照相机(b)正交型光路反射光弹仪弹仪 包括两部分：1.支撑部分 为为一个可灵活调节调节 高度和方位的三角支

5、架；2.观测观测 部分 光路组组成见图见图 13-2，可调节调节 成V型或正交型光路进进行观测观测 。4第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法13-2 13-2 光弹性贴片法基本原理光弹性贴片法基本原理光弹性贴片C牢固粘贴在构件表面S上。构件表面S与贴片C都处于平面应力状态 ，拥有相同的变形，即图13-3贴片与构件表面点 的应力与应变状态hC构件S贴片C反光面1C(1C)2S(2S)1S(1S)2C(2C)（13-1）用反射光弹仪可测出贴片C的等差线条纹级次n。根据应力-光学定律，并考虑光线 是两次通过切片，贴片的主应力差为 （13-2） 为贴

6、为贴 片材料应应力条纹值纹值 ， 为贴为贴 片厚度。 由虎克定律， （13-3） 5第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法则贴片的主应变差为(13-4） 贴片材料的应变条纹值。由式（13-1）、（13-3），构件表面的主应变差和主应力差分别为（13-5） (13-6) 测得贴片等差线条纹级次n，就可确定构件表面的主应变差和主应力差。而构件 的主应变或主应力方向可由等倾线参数确定。 6第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法当贴片与构件表面的自由边界（孔边、外沿等）一致时，垂直于自由边的主应力 为零

7、，由式（13-6），得平行于边界方向的主应力为(13-7) 而边界点的主应变可直接由上式与虎克定律求得或（13-8） (13-8) 构件表面的边界应力与应变：构件表面的边界应力与应变：7第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法13-3 13-3 非边界点的主应变分离方法非边界点的主应变分离方法1 1一次正射一次斜射法一次正射一次斜射法分离构件表面非边界点的主应变的一般方法是一次正射和一次斜射（图13-4） 。由正射得到主应变差（13-9） 采用垂直于某一主应变应变 方向平面内的斜射。若 斜射方向在2所在的yz平面内，与贴贴片法向（z 轴方向）成角

8、，此时测得的条纹级次为n，则 得次主应变差图13-4 光线对贴片的正射和斜射xyz1C2C 2C1CzC 2C（13-10） 8第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法由应变圆或应变分析公式知zC贴片的法向应变。由于贴片处于平面应力状态，由广义虎克定律 ，有 将式（13-11）和（13-12）代入式（13-10），得(13-11） （13-12） （13-13） 联立（13-9）和（13-13）可解得（13-14） 9第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法求得构件主应变后，再利用虎克定律求构件表面

9、的主应力1S和2S。 反射镜照相机yz图13-5 斜射法的光路布置（13-15） 若考虑光线射入贴片时折射率的变化，需 要对入射角进行修正，设贴片的折射率为 m，光线经反射镜的入射角为，因空气 折射利率为1，由折射定律，实际入射角 为10第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法2.2.条带法条带法条带法是利用一组平行的、等间距的带状贴片代替前述的连续贴片，带的高度h 与连续贴片的厚度相等,带宽b则远小于带高。显然，这些贴片只能传递条带长度方 向的应变，而对于宽度方向的应变和剪应变不敏感(构件表面沿带宽方向的应变只 对条带粘贴面局部有影响，而沿带高

10、的大部分区域不受影响)，带宽方向应变是由 泊松效应引起的。故根据条带得到的等差线条纹级次就可确定条带长度方向的应 变，由式（13-8）得(13- 16) 图13-6 贴片条带示意图条带贴片C反射面构件Sabhc但若使用条带标定应变条纹 值f,为简单计为简单计 ，可将上述 关系简简化为为11第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法采用三个不同方向的条带组对带组对 被测测部位进进行三次观测观测 。如这这三个方向分别为别为 x轴轴 、y轴轴和与x轴轴成45的斜方向，根据（13-16）式及任意方向的应变应变 公式（1 1）沿三个不同方向的条带贴片法）沿三

11、个不同方向的条带贴片法分离构件表面应力的三种方法：可得 （13-17） nx、ny、n45三组条带贴片的等差线级次。12第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法（2 2）一次连续贴片及一次沿坐标轴的条带贴片法）一次连续贴片及一次沿坐标轴的条带贴片法采用一次连续贴片和一次条带贴片（如沿x方向），得到连续贴片时的等差线级次 n、主应变方向和条带贴片时的等差线级次nx。根据连续贴片的实验结果，利用（13-1）式，并由应变分析得（13-18） 根据条带贴片的实验结果，由（13-16）式，得（13-19） 式（13-18）和（13-19）联立求解，即可确定

12、构建表面应变状态。这种方法只需 两次试验，而且可以直接把连续贴片切割加工成条带，避免第二次贴片。 13第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法（3 3）一次连续贴片及一次沿主方向的条带贴片法）一次连续贴片及一次沿主方向的条带贴片法 采用一次连续贴片和一次沿主应变方向的条带贴片观测，求对称截面或单独点 的应变分量。由于条带方向与主应变方向平行，故有（13-20） 由此即可求解两个主应变。这里 n-连续贴片的条纹级次， n-沿主方向条带贴片的条纹级次14第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法(a)连续

13、贴连续贴 片(b)纵纵向条带贴带贴 片(c)横向条带贴带贴 片图13-7 圆环的连续贴片与条带贴片等差线例 图图13-7所示为对为对 径受压圆环压圆环 在连续贴连续贴 片与沿坐标轴标轴 条带贴带贴 片时时的等 差 线图线图 。15第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法13-4 13-4 贴片材料的制作与粘接贴片材料的制作与粘接1.1.贴片材料的制作贴片材料的制作贴片材料一般应满足下述要求：（1）应变光学灵敏度高，这对变形小的金属结构物表面应变测量尤为重要；（2）应力-应变和应变-光学比例极限高，可测较大变形；（3）弹性模量低，不具明显的加强作用

14、；（4）初应力小、蠕变小、加工性能好。目前，贴片材料采用环氧树脂和聚碳酸酯。关于环氧树脂材料贴片的制作，环氧 树脂采用#618，增塑剂一般选用邻苯二甲酸二丁脂，固化剂选用三乙烯四胺。原材 料的重量配比为#618环氧树脂 :邻苯二甲酸二丁脂 : 三乙烯四胺=100 :5 :11它为室温固化材料，固化速度较慢，便于操作，适合做曲面贴片。16第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法制作方法：贴片材料使用敞模进行浇注。图13-8 浇注贴片用的敞模制作步骤：预先调好敞模水平待用。再按配比将环氧树脂与增塑剂混合均匀，并 加热到80100除去气泡；然后冷却，至

15、4045时加入固化剂并搅拌均匀； 最后浇入预热到50敞模，在室温下自然固化。23h后,材料成半固化胶凝状， 覆一层薄膜，谨慎将薄膜与贴片一同托起，轻覆在预先涂有薄薄一层油脂的欲测结 构物表面；然后将薄膜揭下，用吹风机略加温度，注意要均匀，以免引起初应力， 使贴片与预测表面吻合即可停止吹风，然后裁去多于边缘部分；在室温下24h左右 ，贴片就可完全固化，取下曲面贴片，用丙酮清去表面油脂即成。这样制作的贴片 形状与欲测表面吻合，且初应力小。17第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法2.2.贴片的粘贴工艺贴片的粘贴工艺粘接剂的要求：粘接强度高、能在室温下固化、粘接应力小。常用与贴片配方相 同的环氧树脂作粘接剂，如需增强反光性，可加入1520%的铝粉。粘接前用砂纸打光被测表面或作喷砂处理，并用丙酮清洗干净，而后均匀涂一层 粘接剂，放上贴片，加压挤出多余粘接剂和气泡，使胶层尽量薄，固化后即可进行 试验。注意：贴片时的温度应尽可能与试验温度接近，以免由温差导致温度应力。18第第2 2部部 光弹性测量方法光弹性测量方法 第第1313章章 光弹性贴片法光弹性贴片法13-5 13-5 贴片材料应变条纹值的标定贴片材料应变条纹值的标定贴片材料的