动态光弹性法及其应用

光弹性法简介光弹性法是应用光学原理研究弹性力学问题的一种实验应力分析方法。

利用光弹性法，可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的工程构件的应力分布状态。

利用光弹性法，可以研究几何形状和载荷条件都比较复杂的工程构件的应力分布状态，特别是应力集中的区域和三维内部应力问题。

对于断裂力学、岩石力学、生物力学、粘弹性理论、复合材料力学等，也可用光弹性法验证其所提出的新理论、新假设的合理性和有效性，为发展新理论提供科学依据。

光弹性法测试的原理主要为光弹性效应，即塑料、玻璃、环氧树脂等非晶体在通常情况下是各向同性而不产生双折射现象的，但当它们受到应力时，就会变成各向异性显示出双折射性质，这种现象称为光弹性效应。

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)。

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。

1A-2 动态光弹实验【实验目的】1．了解动态光弹实验的原理；2．了解固体中纵波和横波的光弹特性，以及传播、反射和折射现象。

【实验内容】1．记录圆偏振场条件下的声场图像，计算固体中两组平面波(分别为垂直向下和斜向下传播)的声速，分析两组波的夹角与声速的关系。

2．记录在线偏振场条件下两组平面波各自的消光时的偏振片角度和对应声波图像。

利用平面偏振原理，说明哪一组平面波为纵波或和横波。

【实验原理与装置】一．实验原理1．光弹性(photoelastic)原理很多非晶体的透明材料，当其受到应力时，由原先是光学各向同性变为各向异性，且呈现出类似于晶体的光学特性。

只要荷载存在，此种效应通常都会保持下去，而当荷载卸去以后，几乎在一瞬间，或在若干时间间隔后，效应就会消失，所需时间取决于材料和加载条件。

这种现象称为暂时双折射或人工双折射，是大卫·布儒斯特在1816年首先观察到的。

正是这些材料的此种物理特性，成为光测弹性力学的基础。

光弹法的物理基础是应力－光性定律： )(j i j i C N N σσ-=-，i , j =1，2，3 (1)其中，C 为应力光学系数，取决于材料的特性； {}2,31，=i i σ为材料中某点的应力椭球的三个主分量，{}2,31N ，=i i 为同一点折射率椭球的三个主分量，它们对应的方向是相同的。

光弹实验直接观察的是二维声场，见图1，入射偏振光E入射到模型O 点，沿主应力方向σi 、σj 分解为两束相互垂直的偏振光E 1、E 2。

通过模型后，两束光产生光程差或相对滞后，根据公式(1)，此光程差可表示为：d C d N N R )()(2121σσ-=-=(2)此光程差引起的相位差为：m m d fd C Rτπτλπλπα⋅⋅=⋅⋅⋅==442(3)其中，λ为入射光波长，τm 为最大剪应力，且τm =(σ1－σ2)/2，σ1、σ2为主应力，d 为模型厚度，f=λ/C 为模型的条纹值，它与材料的应力光性系数C 和入射光波长λ有关，图1 二维光弹原理示意图2表示单位厚度模型内的条纹级数产生单位改变所必需的主应力之差。

第1篇一、实验目的本次实验旨在通过动态光弹性法研究弹性体在动态载荷作用下的应力和应力波传播规律，验证理论分析的正确性，并探讨动态光弹性方法在工程中的应用价值。

二、实验原理动态光弹性法是实验应力分析的一种方法，通过在弹性体表面涂覆光弹性材料，利用光的偏振和干涉现象来观测应力分布。

当弹性体受到动态载荷作用时，光弹性材料会发生变形，导致光的传播路径和偏振状态发生变化，从而产生干涉条纹。

通过分析干涉条纹的形状和分布，可以确定弹性体内的应力状态。

三、实验设备1. 动态光弹性实验装置：包括光源、光弹性材料、样品架、加载装置等。

2. 高速摄影系统：用于记录动态过程中的干涉条纹。

3. 图像处理软件：用于分析干涉条纹。

四、实验步骤1. 准备工作：将光弹性材料涂覆在弹性体表面，设置实验参数，包括光源波长、加载速度等。

2. 加载过程：对弹性体施加动态载荷，记录不同时刻的干涉条纹图像。

3. 数据处理：利用图像处理软件分析干涉条纹，计算应力分布。

五、实验结果与分析1. 实验现象：在动态载荷作用下，弹性体表面出现明显的干涉条纹，条纹分布随着时间变化而变化。

2. 应力分布：通过分析干涉条纹，可以得到弹性体内的应力分布。

结果表明，应力主要集中在弹性体表面和内部裂纹附近。

3. 应力波传播：随着动态载荷的施加，应力波在弹性体内部传播，导致干涉条纹的移动和变化。

通过分析条纹的移动速度和方向，可以确定应力波的传播规律。

六、结论1. 动态光弹性法可以有效研究弹性体在动态载荷作用下的应力和应力波传播规律。

2. 实验结果与理论分析基本一致，验证了理论分析的正确性。

3. 动态光弹性方法在工程中具有广泛的应用价值，可用于预测和分析结构在动态载荷作用下的性能。

七、讨论1. 实验过程中，加载速度对干涉条纹的清晰度和应力分布的准确性有较大影响。

在实际应用中，应根据具体情况选择合适的加载速度。

2. 光弹性材料的选用对实验结果也有较大影响。

应选择具有良好光弹性能的材料，以保证实验结果的准确性。