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光弹性法

光弹性法 (photoelasticity method)将透明塑料制作的模型置于偏振光场中受载,以研究其在弹性变形过程中应力状态的光学实验法。该透明塑料具有暂时双折射性,模型在光弹仪上偏振光场中受载时,因双折射效应而出现干

光弹性法 (photoelasticity method)

将透明塑料制作的模型置于偏振光场中受载,以研究其在弹性变形过程中应力状态的光学实验法。该透明塑料具有暂时双折射性,模型在光弹仪上偏振光场中受载时,因双折射效应而出现干涉条纹图。该图与模型内应力场的分布情况直接相关,拍摄下这个图形并进行相应的整理后,按弹性理论中的公式进行逐点计算,即可获得模型受载时其内部应力场的全部信息。

当将受载模型置于正交圆偏振光场中时,获取的是图1a,b,c所示的等差线(又名等色线)的条纹图形。等差线代表模型内主应力差相等点的轨迹。

当受载模型置于正交平面偏振光场中时,则得到既有等差线又包含一条黑色粗条纹的图形,如图2所示。在两个偏振镜光轴保持正交(互相垂直)而又相对于固定不动的模型旋转时,那种随着转角改变位置而移动的黑色条纹称为等倾线,它是模型内各点主应力方向相同点的轨迹。正交偏振镜光轴相对于模型转动的角度α,即表示主应力所指方向。当正交偏振镜光轴连续转动时,将依次出现对应于不同的α角的等倾线。一般用即时描图法或通过光电扫描,由计算机采集并绘制0。~90。范围内的,包含足够数量的等倾线综合图形(图3c)。

光弹性法

等差线与等倾线图合称应力光图。按等差线判断出各条纹的级次,用预先标定的条纹值,结合等倾线图,利用边界上某个已知条件,采用剪应力差法可得出该模型的全场应力。得出应力场后,由相似理论可换算出原型的应力分布图形,以此作为改进结构设计的依据。

光弹性法是研究接触应力最有效的模拟实验手段之一,优点是可测出接触表面任意点处的应力值,且精度极高(误差3%~4%)。当进行金属塑性加工工具工作状态下的应力分布情况的研究时,用光学敏感材料作变形元件(工模具)模型,而塑性介质(被加工金属)则由易熔材料,如铅或铅加碲及锑的合金,以及由环氧树脂与增塑剂等进行精心调配的聚合物等制作。为了使铅质模型材料性能高度均匀,铅必须预先承受锻造加工,以改变铸态组织为加工组织。上述一些变形介质与变形元件,可用来研究平面变形问题和轴对称变形问题。图3a,b为采用光弹性法研究在108mm直径轧辊中,在无润滑状态下轧制时所得等差线图,c为等倾线图,d为经过计算所得出的剪应力和法线应力沿接触弧分布的图形。

以上所述为平面光弹性法。研究三维问题则需采用冻结应力法,即将制作的模型(包括变形元件与塑性介质),放入加载架置于应力冻结箱内,使温度缓缓升至一定温度后进行加载,然后升温至冻结温度(对于环氧树脂型材料,约128℃左右)并保温一段时间,再按3~4℃/h的速度降至室温出炉。将变形元件沿厚度(或高度)切成3~5mm薄片并精细磨光,在光弹仪上用一次垂直照射、一次斜射获取两套应力光图,再进行辅助切片获取一套光图。有了这些资料,利用三维光弹理论,即可得到所研究对象的全场应力分布图。利用三维光弹法已得到挤压模具的一些有用信息,为改进模具设计提供了有价值的参考数据。

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