实验固体力学

固体力学实验II结课报告院（系）名称航空科学与工程学院专业名称航空工程学生姓名王燕学号ZY13053102014年6月一、概述为了解决自然界和工程技术中越来越复杂多样的固体力学问题需要提出的更精确的实验方法与更科学的实验过程，由此催生了实验固体力学。实验固体力学研究的内容主要包含两大方面：一是对固体力学进行实验，测量力学量的值；二是研究与开发新型的固体力学实验技术和工程测试手段。随着力学的发展，实验固体力学的特点日益凸显，它是理论与实践联系的关键纽带，并且具有很强的跨学科性，物理学中的声、光、点、磁等现象及其与力学相关的规律均可以用来进行力学量的测试。本课程主要介绍了光测力学的相关方法与用途。其中包括：几何云纹法；云纹干涉法；光弹性法；散斑干涉及剪切散斑干涉法；数字图像相关法；全息、数字全息干涉法等。光测力学方法相比于其他固体力学测试技术具有全场性、非接触性、高精度等有优势，一般以（数字）图像，特别是条纹图像为信息载体，但操作和信息的提取较为复杂，也是光测力学方法的难点。今年来，光测力学方法在科研和工程中得到越来越广泛的应用，涉及的领域有材料、生物、微电子、气象、土木、航空航天等等。近年来，在科学研究上，多场耦合条件下材料的力学行为机制研究是一个重要方向，研究对象向细观甚至微、纳米方向发展，此时，光测力学实验方法几乎成为唯一的选择。在航空航天等工程领域的无损检测方面，泡沫材料、复合材料的大量应用使得传统检测方法的应用受到限制，光测力学方法以其快速、非接触（避免污染）和灵敏的特点正得到越来越广泛的应用。因此研究光测力学具有重要意义。二、各种方法的特点和应用范围1.几何云纹法图1云纹法测量变形原理图1)原理：云纹法又称莫尔纹法，是变形分析的一种模拟方法。在实验力学中,它指的是两个空间频率相差不大的振幅型光栅叠加在一起时所产生的明按交错的条纹图案。通过分析云纹图案和条纹间距,可以测量物体的面内变形和应变以及三维形貌,这种方法成为云纹法。2)特点：云纹法可用感光或腐蚀的方法，在试件表面制成各种栅线，而不致引起试件表面强度的加强或削弱。此法是用光传递栅线变形的信息，所以它的抗干扰性和稳定性都比较好，也适用于非接触式测量。它测量时所使用的设备简单，应用范围广。但如果用此方法测量弹性范围内的微小应变时，还缺乏足够的灵敏度和准确度，但是近年来随着研究的深入也取得了不小的改进。3)适用范围：对于常用的工程材料，包括低弹性模量材料、粘弹性材料、各向异性材料、复合材料等，都可用云纹法进行测试，它能用于测量动载或静载，可以用于测量大变形，还可以用于测定裂纹附近的弹塑性变形场等问题。2.云纹干涉法图2测量面内变形的云纹干涉光路图1)原理：对称与试件栅法向入射的两束相干准直光在试件表面交汇区域内形成频率为试件栅两倍的空间虚栅，当试件受载变形时，刻制在试件表面的试件栅也随之变形，变形后的试件栅与作为基准的空间虚栅相互作用形成云纹图，该云纹图即为沿虚栅主方向的面内位移等值线。2)特点：云纹干涉法具有非接触、实时全场位移和应变分析，高灵敏度，大量程，高反差条纹，良好的条纹对比度，直观等优点。它克服了通常全息干涉法不能直接获取面内位移场的困难，比几何云纹法、散斑照相法更具有灵敏度，而且其量程也不像散斑干涉那样受到严格的限制。但是需要贴和转移光栅，过程较为繁琐。3)应用范围：适用于测量面积较小、变形微小的试件。经过十几年的发展，云纹干涉法的理论研究已基本成熟，应用研究也取得了很大进展。现在云纹干涉法原则上可以获得全息干涉法、散斑干涉法等所能获得的全部结果。几何云纹法与云纹干涉法的特点比较见表1。表1几何云纹法与云纹干涉法的比较几何云纹法云纹干涉法条纹形成机制几何光学干涉物理光学干涉测试分辨率测平面位移时的分辨率为参考栅的一个栅距，一般为10-1000微米受制于光栅的空间频率，以1200l/mm为例，测试分辨率为417纳米测试分辨率均取决于光栅的空间频率变形的正负均可用相同方法判断条纹处理方法相同实现相移方法相同3.光弹性法图3光弹法的光路及光弹条纹场的获取1)原理：光弹性法是应用光学原理研究弹性力学问题的一种实验测量分析方法。将具有双折射效应的透明塑料制成的结构模型置于偏振光场中，当给模型加上载荷时，即可看到模型上产生的干涉条纹图。测量此干涉条纹，通过计算，就能确定结构模型在受载情况下的应力状态。2)特点及适用范围：光弹性法是一种全场性测量法。用这种方法可以了解三维结构内部应力（或位移）分布的全貌，能够清晰地反映出应力集中现象，直观性强、一目了然。特别是由于很多光弹图像都是通过照相、摄影灯方式获得资料信息的，不需在结构物上直接安装传感器或其他测试装置，所以它是非接触式测量，也是非破坏性的测量，而且获得的图像信息还可长期储存。3)应用范围：对于研究结构物的强度问题以及方案设计的比较和改进，应用光弹性方法都很有优势。可用于单向受力试件中圆孔的应力集中系数测定，裂纹在两种材料截面附近的扩展行为等问题。4.电子散斑干涉法图4电子散斑干涉法测量原理图1)原理：电子散斑干涉无损检测技术是基于物体结构损伤处的外表面在静载荷或动载荷的作用下会产生非均匀的表面位移或变形，在有规则的干涉条纹中会出现明显的异状，如不连续、突变的形状变化和间距变化等，通过测算这些微小的变化，便可查明物体内部缺陷及其位置。2)特点：与常规无损检测手段如射线、超声波、电磁、渗透和磁粉检测技术等相比，电子散斑干涉技术主要有以下优点：测量信息丰富,可实现实时处理，测量精度高，能达到激光的波长级别；能进行全场检验，使用方便，检测效率高，适用于形状比较复杂的物体；检测结果易于保存，电子散斑条纹图可以数字形式保存在存储介质中，便于后续处理分析；测试仪器可在较强的光照条件下工作，即使在太阳光下也可测量高温物体的损伤。3)应用范围：电子散斑干涉法位移测量的灵敏度可达到波长量级，应变测量灵敏度再几十微应变，适用于全场变形的实时测量，它被广泛的用于无损检测，及光学粗糙表面的振动测量和模态分析，其次它被用于物体轮廓的测量，电子散斑技术还可用于高温物体的位移测量和热变形的测量。如今电子散斑技术已成功应用于许多工程机械的无损检测中，例如飞行器部件、复合材料分离部位、蜂窝结构和火箭推进剂药柱中的裂纹、分层、开裂和气孔等缺陷检测。5.数字图像相关方法1)原理：又称数字散斑相关法，是一种基于数字图像处理和数值计算的、先进的光学计量方法，其通过分析变形前后的两幅图像（2DDIC）、图像对(3DDIC)或体图像（DVC）来测量物体表面的二维变形、三维变形或者内部变形。2)特点：数字图像相关方法是一种非接触、全场测量方法，测量设备及过程简单，无需激光、隔震台等，测量过程高度自动化，可直接获得变形场。其分辨率可达到零点几个像素。但目前的技术不适合宏观物体的非均匀小变形的测量，并且计算耗时，目前的计算不能实时显示测量结果。3)应用范围：多用于直接测量各种尺度物体表面（甚至物体内部）在载荷作用下的位移/形变场，确定各种材料（复合材料、生物材料、低维材料）的力学常数，以及验证有限元计算和力学理论分析的正确性。6.全息/数字全息干涉法1)原理：全息干涉计量是利用全息照相的方法来进行干涉计量，与一般光学干涉检测方法很相似，也是一种高精度、无损、全场的检测方法，灵敏度和精度也基本相同，只是获得相干光的方式不同。全息干涉计量术是将同一束光在不同时间的波前来进行干涉，可以看作是一种波前的时间分割法。随着数字相机高空间分辨率的提高，通过数字记录、数值再现的数字全息逐渐代替传统的全息方法。它是用光电传感器件代替干板记录全息图，然后将全息图存入计算机，用计算机模拟光学衍射过程来实现被记录物体的全息再现和处理。2)特点：相干光束由同一光学系统所产生，因而可以消除系统误差。对于一般光学干涉检测方法，物光波是与一个作为标准的参考光波（如一个平面光波）相比较。这种情况下，物光会受到包围待测物体的介质的影响而产生附加条纹，使最后得到的条纹图样变得复杂化，因此，对检测环境、条件要求非常严格。而在全息干涉计量的情况下，它是将同一束光在不同时间的波前来进行干涉，相干光束是由同一光学系统所产生，因而包围介质的欠缺引起的光程变化会自动抵消，故这种方法与包围待测物体的介质的光学质量无关；同样的原因，它对光学元件的精度要求比一般光学干涉检测方法低得多，因而，设备的费用也较低。数字全息干涉法的特点有，制作成本低，成像速度快，结果实时显示，记录再现灵活，参数（焦距、图像尺寸、分辨率）可灵活控制。3)应用范围：漫射固体表面三维位移场和振动幅值场的测量；透明固体内厚度变化和折射率变化的测量；三维物表面形状测量等。三、感想与收获本人是飞行器设计专业，研究方向大致为结构优化设计，碍于条件限制教研室内其实并没有任何实验类的工作，所以对实验方面的了解非常少。但是，实验是科研中至关重要的环节，任何新的理论推导或数值计算结果在有条件的情况下都应该经过实验的验证才具有实际意义，因此选择这门课也是想填补一下我在实验方面的一点空白，对当下航空航天领域使用的实验方法和设备有一定了解，将来如果有机会进行相关的实验工作也能在心中有个大概的理念。这门课让我比较系统地了解到了当下实验固体力学方面主流的固体测试技术，由此是对各种光测法有了比较深入的理解，我目前的研究方向是复合材料相关性能的优化设计，从课程中了解到电子散斑技术可以用于复合材料分离部位的检测，另外数字图像技术也可以用于复合材料力学性能的相关测量，将来如果有机会希望也许可以将这两种技术应用到目前的研究内容上，以验证有限元结果从而验证优化结果的合理性。比如，之前看过使用响应面方法做复合材料结构优化的相关文章，就是需要先通过实验与有限元模型的对比验证有限元模型建立的准确性，而这里的实验也许就可以考虑使用电子散斑技术或数字图像技术等相关技术进行。总之，光测法的优势在固体测试的各种技术中是非常明显的，近年来也在不断地快速地发展和广泛地应用中。希望以后能有机会真正操作体验一下某种或某几种光测法，并应用到自己的研究课题中。