第三章 光弹性材料和模型

第三章光弹性材料和模型3-1光弹性材料光弹性材料是光弹性应力分析中的一个关键问题。只有良好的材料才能充分显示出光弹性效应，才能据此分析各种力学问题。一个多世纪前，光弹性效应被发现，逐渐形成光弹性原理。为什么直到二十世纪中期才得以发展呢？因素之一就是由于当时材料不灵敏，模型难以加工。二十世纪环氧树脂材料出现以后，逐渐形成了以环氧树脂这种高分子聚合物为基础原料的光弹性材料，大大推动了光弹性法的发展。除上述光弹性材料外，还有一种热塑性聚碳酸酯材料，它光学灵敏度高，不仅能充分地反映光塑性效应，还能很好地反映出光弹性效应，所以可用以研究光弹性问题。理想的光弹性模型材料应满足下列要求：1,未受力前为光学各向同性、均质、色浅、透明度好、受力后具有暂时双折射效应；2,光学灵敏度高，即材料条纹值低，弹性模量量大；3,应力-应变和应力-条纹级数的比例极限高；4,力学蠕变和光学蠕变效应小，指在一定载荷作用下，条纹几乎不随时间而增加，或增加得极小；5,初应力和时间边缘效应小；6,易于机械加工（车、刨、铣、钻、锉、攻丝等）成各种形状的光弹性模型；7,冻结应力的模型材料要具有良好的“冻结”性能；8,价格低廉。迄今为止还没有这样理想的材料，目前仅能获得基本满足光学弹性实验要求的材料。本章中介绍的是目前所用的材料浇制工艺及性能3-2环氧树平板材料制作环氧树脂平板光弹性材料，一般来说是比较成熟的。在此，只总结制作平板材料的技术及工艺过程。环氧树脂板材的原料是：a．环氧树脂，其型号E-44（称6101#）、E-42（634#）和E-51（618#），本色为棕黄色。b．固化剂：顺顶烯二酸酐分为分析纯、化学纯及工业纯，最好使用分析纯，绝对不能使用工业纯。它是白色结晶体，具有刺激性。c．制作环氧树脂板材的配比为（按重量计）其配合比为：环氧树脂：顺顶烯=酸酐=100：35（3-1）为了增加材料的塑性，可以加少量的增塑剂（邻）苯=甲酸=丁脂（简称二丁脂），其配比为：环氧树脂：顺顶烯=酸酐：丁脂=100：35：5（3-2）加入少量二丁脂可以调节材料的塑性，改进材料的脆性，但加入过量二丁脂会使材料弹性模量降低，加载后产生变形过大。另外加入二丁脂后，要适当延长搅拌时间。以免由于材料不均产生云雾及增加材料的时间边缘效应。制作环氧树脂板材工艺流程：计算及称出材料用量。首先根据拟浇制的板材的体积V，估算出板材的总重量G。环氧树脂原材料的单位体积重r=12.5KN/m3.根据重量配比算出每种原材料的用量：环氧树脂重量G1为G1=100÷135G顺丁烯二酸酐重量G2为G2=35÷135G（3-3）把称好的原材料各放入一个容器内，并分别放进烘箱，加温到70ºC左右，直到熔化为白色透明的液体。环氧树脂预热温度为60ºC左右。此时对环氧树脂液体进行搅拌，边搅拌便将熔化的顺丁烯二酸溶液倒入环氧树脂溶液中，搅拌温度70ºC±2ºC，不要超过90ºC，以免发生硬化。搅拌时间按长短根据材料用量多少而定，一般为1-2个小时。•二．制作模具•用两块厚6mm的玻璃板，尺寸根据需要而定，一般是400x400mm，500x500mm为宜。•表面处理：用去污粉处理，•干后用丙酮擦洗去油腻。•橡皮管洗净：橡皮管直径应选比板材厚度大一些，利用它的弹性调节平板所需的厚度。橡皮管外表面涂上一层薄薄的硅酯，作为脱模剂。•夹具准备：准备两副扁铁或角铁后，将夹具清理干净。•合模：将二块玻璃板叠起来，二块玻璃之间用橡皮管把三边围住，空出的一边作为倒入搅拌好的环氧树脂混合液的入口，然后，用两副扁铁把两块玻璃板夹紧固定。厚度用标准厚度铁块控制。•图3-1•涂脱模剂：脱模剂采用聚苯乙烯甲苯溶液，其配合比为（8~10）：100…(3-4)•将脱模剂倒入模具内，然后再倒出来，将模具倒放置，放入40ºC~50ºC的烘箱内预热。•浇注环氧树脂板材：将已搅拌好的环氧树脂混合液徐徐倒入已预热的模具内，然后，放入烘箱内进行固化。固化曲线按图3-2所示•图3-2板材固化温度曲线其固化温度为90ºC，最高不超过120ºC。环氧树脂固化后，即可取出拆模，将拆模后的板材平放于玻璃板上，在放进90ºC的烘箱内恒温12小时之后，按5ºC/小时的速度降温，至60ºC后，切断电源，自然降温。在平面模型试验前需按图3-3（P70）的温度曲线进行退火，以消除初应力。图3-3板材退火温度曲线光弹性材料浇制3-3聚碳酸酯平板材料聚碳酸酯是60年代发展起来的一种热塑性材料，这种材料的抗拉强度大，抗冲击强度高。耐热耐冷性和抗蠕性好，应力-光学灵敏度高，无毒、色浅，透明度好，是一种理想的光塑性材料，同时选用适当的制作工艺及加工方法后，亦可以成为很好的光弹性材料。先将聚碳酸酯材料与环氧树脂材料的力学性能比较。见表3-1如果需退火处理，对于用注射法成型的，其厚度在7mm以上的材料，退火温度曲线如图3-4所示。图3-4聚碳酸酯退火温度曲线3-4三维光弹性模型•浇注三维光弹性环氧树脂模型，其原料配方基本上与平板相同。但是，当立体模型较大时，或当精密制造复杂•光弹性模型采用石蜡混合磨具时，必须低温固化，此时，为了缩短固化时间，可以加入1-3%的催化剂二甲基苯胺。其配比为：610#环氧树脂：顺丁烯二酸酐：：二甲基苯胺=100：35：1.1~0.3•一、浇注坯模，机械加工成型•如果模型的几何形状比较简单，或者即使形状复杂，但能用机械加工成型的，可先浇铸成与试验模型形状相近的坯模块体，然后，进行机械加工成型。•其模具可用白铁皮制作，并在各边留有加工余量及收缩余量5mm左右。若模型有内腔，则模型的内芯需用弹性较好的材料制作。•坯模的固化温度曲线如图3-5所示•二、精密制模•工程上当遇到一些复杂结构零件形状时，难以用机械加工完成。此时，可用精密浇制法。可以采用蜡模熔模法或硅橡胶作阴模的方法。图3-5块体材料固化温度曲线制模工艺如下：熔模材料-压力铸模-熔模装配-浇注环氧模型固化工艺曲线，详见图3-6所示图3-6压力壳模型图说明：1.模具要求应变形小、光洁、刚度大、分型面要少，木芯有要锥度约1~2度。2.熔模配方为石蜡：地蜡：硬脂酸=50：10：40（重量比）3.将按比例配好的蜡料，加温使其溶解成液状。不断搅拌蜡料，待蜡料降温到50~55ºC时，蜡料成糊状，手抓蜡料时不粘手，即可入模具压注，压速越快越好。模具应预热40ºC，4.浇注环氧树脂模型将按事先计算好的用量秤好，并经搅拌成为环氧树脂混合液，浇注到蜡模内，其搅拌温度为65~70ºC，浇注温度为50~55ºC，固化温度48ºC，详见图P75所示例：压力壳模型压力壳的原型是一个带有八个接管的圆管，筒身及接管均为变截面，几何形状较为复杂，如图3-7所示图3-7压力壳模型固化温度曲线另一种精密浇铸法是用硅橡胶制模首先，按一定比例配制硅橡胶混合液，其配比为：硅橡胶106#：硅橡胶107#：正硅酸乙酯：触媒=50：50：3：2（重量比）然后，将该混合液浇注成阴模再用环氧树脂混合液充填在阴模中，经温度曲线控制，使环氧树脂模型固化。（固化温度比蜡模高）最后，去除硅橡胶阴模，形成环氧树脂模型。例：人体股骨环氧树脂模型用洗净的人体股骨做阳模，将按配比配制的硅橡胶混合液倒入，浇铸成阴模，再将环氧树脂混合液充填其中，按温度曲线（图3-）控制，即可浇铸成环氧树脂股骨模型。图3-9股骨模型固化温度曲线再举一个复杂模型的例子：海洋五脚平台模型海洋五脚平台如图3-所示（加一张立体照片）因结构对称，取四分之一作为研究对象。模型高1mm，厚度仅6mm，与原型比例为1：66：67。模型制作同时采用蜡模、硅橡胶模和金属模整体。浇铸一次成型。三.三维模型的粘接成型有一些三维结构，不需要整体浇铸模型，而是把三维整件结构拆开分为若干个独立的零件，先制造零件，然后粘接成为整体三维模型。先制成平板，开好门、洞及各层结板，在粘接成型。粘接用的粘接剂（冷胶）的配比重量比为：环氧树脂：乙二胺=100：（6-8）或环氧树脂：三乙烯四胺=100：10粘接时应考虑下列一些主要问题：1.粘接面应选择模型的次要出，应离分析面较远或应力较低之处。2.粘接面必须精细加工，并用丙酮或酒精擦洗干净。3.粘接时特别要注意不要产生气泡或空隙。因为它们会使粘接强度大大降低。甚至往往会由于粘接不好而引起破裂，使整个实验失败。4.粘接剂的温度应控制在50ºC~60ºC。如调配好的粘接剂产生丝状，说明已失去粘接力，不能使用。5.粘接前应将模型置于40ºC的烘箱中，是模型热透，再进行粘接，粘接后的模型再放进30ºC~50ºC的烘箱中，并向粘接面加上一定的压力，约0.04MPa-0.07MPa。让烘箱保持恒温，使粘接剂固化。还必须注意，粘接剂的强度随温度升高而降低，表3-2中所载粘接剂强度与温度间的数据是测得的拉伸强度值，可供参考。3-5材料的冻结性能及热光曲线一、材料的冻结性能•将受载环氧树脂模型放在烘箱内，逐渐缓慢升温，在载荷不变的情况下，条纹级数会变化吗？实验发现：•条纹级数随温度升高而逐渐增加。•当温度到达某一值后,条纹级数立即达到最高值,并趋于稳定。•在此稳定的状态下,恒温一定时间，又逐渐缓慢地降温，直至室温，然后卸去载荷，取出模型。•置于偏振光场中观察,结果看到,由该载荷产生的应力条纹在卸载后仍保留在模型中。并且不受机加工影响。•模型内这种被保留的条纹称为“冻结应力”。•材料在一定温度下能保留的应力的特性称为冻结性能。•使应力冻结的最低温度,称为材料的临界温度光弹性材料的冻结性能与热光曲线二.热光曲线（实验）为了确定材料的冻结温度,一般用对径受压圆盘模型测定。过程如下：1.将对径受压圆盘模型放在至于偏振光场中的冻结烘箱内。对径受压圆盘：直径D=4cm厚度d=2.逐渐升温，到70ºC后，每升5ºC，恒温15分钟左右，并记下圆盘中心处的条纹级数。光源：白光条纹级数（n）P(kg)P(kg)15.1x45.1x4210.1x45.0x4315.1x45.0x4420.1x45.0x4平均5.025x4P平均值=5.02x4kg/级材料条纹值cmkgDPfo/80.128级=12.80KN/m级冻结材料条纹值tf载荷值P=2.046Kg圆盘直径D=4cm冻结圆盘中心点的条纹级数n=4级所以m/326.04414.3046.288ckgDnPft级=0.326KN/m级3.根据不同温度下测得的条纹数据，绘出温度t-级数n间的关系曲线，称为材料的热光曲线。图3-13材料的热光曲线4.分析热光曲线可分为三个阶段：第一阶段（图中A点以前的一段）：玻璃态。特点是弹性模量大，变形小，蠕变也小，应力和应变、应力和条纹之间呈线性关系。第二阶段（图中A~B间的一段）：过渡态。特点是在较小的温度范围内，弹性模量和材料条纹变化大，蠕变也大。第三阶段（图中B点以后的一段）：橡胶态或高弹态。特点是呈完全弹性状态，条纹不再随时间改变，加载后条纹达到最后值。卸载后即刻又消失光弹性效应。此阶段的弹性模量和条纹级值均较Ⅰ、Ⅱ阶段小的多。热光曲线中，A点称为玻璃化温度，环氧树脂材料A为80ºC左右，B点称为临界温度，就是材料在加载时条纹立即达到最后值，卸载后条纹又立即消失的最高温度，也就是高弹态开始时的温度。环氧树脂材料的B点约在95ºC~100ºC。三.材料冻结温度的确定•根据测得的临界温度值，取比临界温度高5ºC~10ºC的值作为材料的冻结温度。•模型在到达冻结温度后，再缓慢降温到室温，此时卸载，条纹就保留在模型中了，这就是材料的冻结性能。•临界温度和冻结温度随材料的固化条件和退火处理的不同而有所变化，故每次实验时需具体测定。•在冻结过程中应注意下列各点：•1.必须始终注意模型中各点部分温度的均匀性。避免由于温度不均匀而使温差应力冻结在模型中。•在冻结过程中，一般当温度达到70ºC以后，可以5ºC小时的速度升温，降温更要慢一些，常以3ºC/小时的速度进行。恒温时间的长短则根据模型尺寸大小来定。因此，上面所举的实例中，压力壳、股骨、海洋平台模型的冻结温度曲线都不相同。•2.冻结温度要恰当。•冻结温度由材料的热光曲线确定