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1、第四章第四章 光弹材料与模型光弹材料与模型（Photoelastic Materials and Modeling）1 1 学习内容学习内容l光弹性材料的要求（敏感性、典型光弹性材料）； l材料条纹值的测定； l光弹性板材模型制作工艺环氧树脂板；l光弹性制模的未来发展；l光弹性材料的冻结性能； u 应力冻结、冻结临界温度u 冻结温度的测定热光曲线u 冻结机制l光弹性材料的负效应； l三维光弹性：主应力和次主应力； 2 25 .1理想光弹性材料应具备的条件简单地讲，材料必须满足下列简单地讲，材料必须满足下列要求要求：n n1 1材料必须透明、均质，在未受力前是各向同性材料必须透明、均质，在未受力
2、前是各向同性的，受力后具有暂时双折射的效果；的，受力后具有暂时双折射的效果；n n2 2材料的光学灵敏度高，质量系数较大，能形成材料的光学灵敏度高，质量系数较大，能形成清晰的条纹图案；清晰的条纹图案；n n3 3初应力及残余应力小，且易于消除；初应力及残余应力小，且易于消除；n n4 4力学蠕变和光学蠕变效应小，这在一定荷载作力学蠕变和光学蠕变效应小，这在一定荷载作用下，条纹几乎不随时间而增加，时间、边缘效应用下，条纹几乎不随时间而增加，时间、边缘效应很小；很小；n n5 5应力与应变，应力与条纹级数都有线性关系，应力与应变，应力与条纹级数都有线性关系，且比例极限高；且比例极限高；n n6 6
3、制造过程简易，易于机械加工成各种形状，价制造过程简易，易于机械加工成各种形状，价格低廉；格低廉；n n7 7尽可能满足各种实验的要求，例如变弹模，耐尽可能满足各种实验的要求，例如变弹模，耐高温性能，光弹性特点，等等。高温性能，光弹性特点，等等。3 35 .2 材料配方n n制造光弹性模型的材料主要是环氧树脂。目前国内普通生产的环氧树脂，制造光弹性模型的材料主要是环氧树脂。目前国内普通生产的环氧树脂，常用型号有常用型号有#618#618、#6101#6101、#634#634，都是液态。其中以，都是液态。其中以#618#618最佳，最佳，色浅黄，流动性好。色浅黄，流动性好。n n固化剂的作用是使
4、用环氧树脂固化成型。常用的高温固化剂是顺丁烯二固化剂的作用是使用环氧树脂固化成型。常用的高温固化剂是顺丁烯二酸酐（苹果酸酐）。这是一种白色晶体，具有刺激性，能升华，易受潮。酸酐（苹果酸酐）。这是一种白色晶体，具有刺激性，能升华，易受潮。酸酐做固化剂，在控制温度下固化，为了改善材料的机械加工性能，可酸酐做固化剂，在控制温度下固化，为了改善材料的机械加工性能，可适当加入一些增塑剂邻苯二甲酸二丁酯。这是一种透明油状液体。具体适当加入一些增塑剂邻苯二甲酸二丁酯。这是一种透明油状液体。具体配方配方如下：如下：( (按重量比按重量比) ) 环氧树脂环氧树脂 : : 顺丁烯二酸酐顺丁烯二酸酐 : : 邻苯二
5、甲酸二丁酯邻苯二甲酸二丁酯 = 100 : = 100 :（30 35 30 35 ）: : （0505） 如果需要加速固化，可加入千分之如果需要加速固化，可加入千分之0.60.6二甲基苯胺。二甲基苯胺。n n环氧树脂与酸酐的比例关系由下式确定：环氧树脂与酸酐的比例关系由下式确定： 环氧树脂环氧树脂 : : 酸酐酸酐 = 100 : = 100 : 环氧值环氧值酸酐分子量酸酐分子量 K K 环氧值、酸酐分子量在产品中都有标明，环氧值、酸酐分子量在产品中都有标明，K=0.70.85K=0.70.85，由材料的体，由材料的体积可算出重量积可算出重量( (环氧树脂比重为环氧树脂比重为1. 25)1.
6、 25)。再按上述比例分别计算出各种。再按上述比例分别计算出各种原料的重量。原料的重量。n n为了改变环氧树脂为了改变环氧树脂E E值，可以通过改变邻苯二甲酸二丁酯或顺丁烯二酸值，可以通过改变邻苯二甲酸二丁酯或顺丁烯二酸酐的含量和温度控制过程来实现。酐的含量和温度控制过程来实现。4 45 .3 材料条纹值的测定 5 55 .4 光弹性板材模型制作工艺 制备混合液：n n根据要浇制板材的体积，估算出板材的重量（密根据要浇制板材的体积，估算出板材的重量（密度为度为1.28kg/m31.28kg/m3），在根据配比计算出每一种成），在根据配比计算出每一种成分的用量；分的用量；n n将称好的原料各放入
7、一个容器中，放置在烘箱中将称好的原料各放入一个容器中，放置在烘箱中加温到加温到70-7870-78 ，直到固化剂熔化为白色透明液，直到固化剂熔化为白色透明液体；体；n n保持温度在保持温度在60-7060-70 ，搅拌环氧树脂液体的同时，搅拌环氧树脂液体的同时缓慢倒入熔化的固化剂，搅拌时间缓慢倒入熔化的固化剂，搅拌时间1-21-2小时；小时；6 6制作模具l两块玻璃表面用水洗净，干后用丙酮去油腻，然后将两块玻璃叠起来，其间用橡皮管围住三边，另一空边作为浇注入口和气泡出口；再用细长铁条固定玻璃，调节玻璃间成合适的厚度间距；l为了避免环氧树脂与玻璃之间的粘连，倒入脱模剂（甲苯-聚苯乙烯10：1，有
8、毒）后倒放模具1个小时，此时甲苯完全挥发，在玻璃表面留下一层聚苯乙烯薄膜；这样反复两次，薄膜具有一定厚度，起到脱模的作用；因为甲苯-聚苯乙烯溶液有毒，可采用硅脂来代替；7 78 8浇注、固化、机械加工和退火 将模具放入40-50 烘箱预热2小时后取出，将搅拌好的环氧树脂溶液倒入模具中，放入烘箱内进行固化，最高固化温度为90 ； 恒温24小时后固化为板材，取出拆模，将环氧树脂板放置在玻璃上再次放进90烘箱内12小时，之后按5 /小时降温至60 ，切断电源自然降温，这样处理后的板材基本无初应力，即可制作各种形状的平面模型了； 固化：玻璃板模具预热 (45 ,2h) 注配料 固化(90 ,24h)
9、拆模 固化 (90 ,12h) 降温 (5 /h,6h, 60 )自然降温 成型加工 退火处理； 9 9固化温度曲线和退火处理l固化温度曲线见图所示。l材料成型和机械加工等原因，若模型内出现初应力，可进行退火处理，见图所示。42h20h10105 .5 光弹性制模的未来发展 11115 .6 光弹性材料的冻结性能 n n应力冻结应力冻结应力冻结应力冻结 ：将受载环氧树脂模型放在烘箱内缓慢升温，在：将受载环氧树脂模型放在烘箱内缓慢升温，在载荷不变的情况下，条纹级数随温度升高而增加，当温度达载荷不变的情况下，条纹级数随温度升高而增加，当温度达到一定程度后，条纹级数达到最高值；降温后卸载，由该载到一
10、定程度后，条纹级数达到最高值；降温后卸载，由该载荷产生的应力条纹在卸载后仍保留在模型中，可以进行机械荷产生的应力条纹在卸载后仍保留在模型中，可以进行机械加工而不受影响；加工而不受影响； n n模型内这种被保留的条纹称为模型内这种被保留的条纹称为“ “冻结应力冻结应力冻结应力冻结应力” ”。材料在一定温度。材料在一定温度下能保留应力的特性称为下能保留应力的特性称为 “ “冻结性能冻结性能冻结性能冻结性能” ” ，使应力冻结的最低，使应力冻结的最低温度称为材料的温度称为材料的“ “临界冻结温度临界冻结温度临界冻结温度临界冻结温度” ”。n n冻结法冻结法冻结法冻结法是先将模型中的应力状态保存下来，
11、然后将冻结模型是先将模型中的应力状态保存下来，然后将冻结模型沿所研究的截面切片，相当于把一个三维模型切成若干二维沿所研究的截面切片，相当于把一个三维模型切成若干二维模型进行研究；模型进行研究； 12125 .6.1 冻结温度的确定热光曲线131314145 .6. 2 材料冻结机制 n n目前使用的所有光弹性材料均属于高分子聚合物，它存在不目前使用的所有光弹性材料均属于高分子聚合物，它存在不可熔和可熔的两种分子链的网络；可熔和可熔的两种分子链的网络；n n不可熔的分子链不可熔的分子链在材料中相互连成的三维空间网络被在材料中相互连成的三维空间网络被可熔的可熔的分子链分子链网络所填充；网络所填充；
12、n n在室温时，这两种网络都是固态的，所作用的载荷由两种网在室温时，这两种网络都是固态的，所作用的载荷由两种网络共同承担，所以在比例极限内，材料是弹性的；络共同承担，所以在比例极限内，材料是弹性的；1515l当到达“冻结温度冻结温度”时，所有的可熔网络彻底崩溃，此时全部载荷都由不可熔网络来承担；l若这时开始降温，则可熔网络有自行固化，并约束着已经变形的不可熔网络。直至室温，即使卸掉载荷，这一变形仍留在材料中，即不可熔网络的变形被即不可熔网络的变形被“冻结冻结”下来下来,这就是“冻结”应力图案的形成；该图案不受切削影响可进行切片分析；1616l轴向拉伸力学模型来模拟应力 “冻结”过程17175
13、.6. 3 应力冻结步骤 1818 5 .7 光弹性模型材料的负效应 n n时间边缘效应时间边缘效应时间边缘效应时间边缘效应 l l 不受力情况下随时间在边缘出现初应力；不受力情况下随时间在边缘出现初应力；l l 可能是边缘水分蒸发、吸收和氧化所致；可能是边缘水分蒸发、吸收和氧化所致；l l 没有有效的预防措施，模型加工后尽快实验；没有有效的预防措施，模型加工后尽快实验；n n加工效应加工效应加工效应加工效应 l l 机加工在边缘造成初应力；机加工在边缘造成初应力；l l 采用锐利、专用刀具来降低；采用锐利、专用刀具来降低；n n温度效应温度效应温度效应温度效应l l 在冻结过程中温度的变化引
14、起；在冻结过程中温度的变化引起；l l 采用温度效应小的材料；采用温度效应小的材料；n n特点特点特点特点l l三种效应首先出自边界，然后向内部发展；三种效应首先出自边界，然后向内部发展；l l引起边界和内部应力重新分布，应力光图引起边界和内部应力重新分布，应力光图 发生畸变，降低精度发生畸变，降低精度1919 5 .8 三维光弹性 n n到目前为止，三维光弹性是唯一能确定模型内一点到目前为止，三维光弹性是唯一能确定模型内一点应力的实验技术。应力的实验技术。 n n三维光弹性应力冻结三维光弹性应力冻结三维光弹性应力冻结三维光弹性应力冻结是用有冻结性能的材料制作的是用有冻结性能的材料制作的模型，放入烘箱内加载，并缓慢升温至模型材料的模型，放入烘箱内加载，并缓慢升温至模型材料的冻结温度，恒温到一定时间后，在缓慢降至室温，冻结温度，恒温到一定时间后，在缓慢降至室温，这样模型内的应力就被冻结了；在室温下卸载，对这样模型内的应力就被冻结了；在室温下卸载，对模型进行切片进行类似平面光弹性分析。模型进行切片进行类似平面光弹性分析。 n n了解内容：了解内容： 主应力和次主应力；主应力和次主应力； 2020212122222323
