QK1V型反射光彈仪的結构及应用龙前

QKI一V型反射光弹仪的桔构及应用起重廷翰机械研究所龙前整理本文筒单地介招了贴片光弹法的工作原理,拭制的QKI一V型反射光弹仪的桔构以及测斌方法,主要取自起重运输机械研究所贴片光弹粗一年来集体研究的成果。表面上,用反射式光弹仪可观察出干涉条枚—等倾挑与等色楼,由等倾楼可定出零件表面主应变方向,而由等色校可定出主应变差值。一引言光测弹性法是实嗽应力分析中一种重要方法,而贴片光弹法又是光测弹性法中的一项新技术,又称之为光应力技术、光弹性堡层法、光学灵敏性堡层及皮膜法等。其特点是可以进行现塌实物(金屡或非金屡零件桔构)大表面的应力分布的连擅测定,无箫是弹性或塑性变形,静态与动态告可应用。它使光弹法不再局限于实歇室中,弥补了电测法只能进行点测的缺点,并且在应力集中处应用特别有效。这种方法早在1930年梅斯累吉(Mesnager)就提出过,只因没有适当的贴片材料而未能进展。1953年由臀德曼(Z助dman)的研究才开始走入工业实用性阶段。以后美、法、日等国都作了很多研究工作,制成了各种性能的贴片材料及不同型式的仪器,并广泛应用于机械、航空等不同工业部阴中去,成为六十年代的一种重要实毅应力分析方法*。国内亦有很多单位如中国科学院光学精密机械研究所、机械科学院、清华大学均进行了贴片光弹法的研究,起重运输机械研究所(以下商称起重所)于1964年开始作这方面的工作,由于工作尚处于初始阶段,水平很低,有错误箭大家指正。、、\、、气气气勺勺勺勺勺呀呀呀呀呀扮扮丫Y冲、洲、入产、产、\只从丫丫丫尹丫习习l匆)))))二贴片光弹法的测拭原理,数据处理方法贴片光弹法是将一种特殊的光学灵敏塑料贴在或喷漆在现爆工作的机器零件(或桔构)图1贴片工作原理图贴片工作时,零件表面的应变是通过粘贴胶层傅递到贴片上去的(图11),而不像普通光弹法那样将载荷道接加在塑料模型上,因此,对于贴片光弹法来貌,所注意的是零件应变。实歇征明了下面的应变光学定律:6=2·`,·K·(。l一。2),(1)式中6—反射式光弹仪观测出的光程差,以条枚极数n表示:6一.n不乳—所使用的光波波长(厘米)三tp—贴片的厚度(厘米);(。,一s:)—主应变差值,这对于贴片及零件都是相同的,即(。:一s:),=(“;一“:)m,下标p表示贴片塑料,m表示零件(下同)二K—应变光学系数,是随贴片材料而定的无量桐参数。式中因子2t,表示光通过贴片两次。贴片工作时,其本身总是弹性的,由虎克*这方面的文献很多,本文附录中列举了一部分(4~13)定律:(。,一02),一瓷(￡,一。:),(2)应用(1)式(。,一。2),=E户1+林P6Zt户·K式中口,8分别表示应力及应变,E(3)卜为弹性模数及泊松系数。由(3)式可知,用等色校图定出光程差6,便可确定贴片的主要应力差值。为了求得单个的主应力数值,在普通光弹法中采用了基于积分平衡方程的各种方法(切力差法、斜率平衡法等),但这些方法在贴片光弹法中lHJ难于应用,这是因为贴片与零件粘贴表面简发生了未知的剪应力。在某些情况下,剪应力很小,或只发生在某些局部的区域内,可以有条件的使用积分平衡方程的方法,藻差不大〔,,,(本文下面举例中的单孔受拉平板实嗽就采用了斜率平衡法)。还应指出,积分平衡方程的边界条件往往亦不像普通光弹法那样容易确定。由(4)、(5)式观之,为了求得塑料的单个主应力“i,、。2,,只需测出光程差色。:、6。:,把两式对几、内解开即可。当入射角e=O时,便得出正射时的桔果〔(I)式〕,(把上式中应力换成应变,再利用(6)式即得)。因此亦可由正射〔(1)式〕及斜率〔(4)、(5)式中任意取一式〕来求出单个主应力几p、。印,再应用虎克定律可求得塑料的单个主应变slp、、p,这也就是零件的主应变气二、几用,-在这里我们假定贴片完全真实地反映了零件应变。实际上,贴片贴在零件表面将产生加强效应及厚度效应,使贴片并不完全反映零件的应变。加强效应可用一修正系数p表示:(。:一。:)。二p(::一s:),,下标“O”表示未贴片时零件的应变,而下标“P”表示贴片后的应变。在平面应力状态时p=1+tp一E夕锰·编1+卜,1+内1+扣.称编.凡其他情况下p的爵算可参看文献〔11〕。至于从零件上的应变气,气。来求得零件上的应力几二,内,可以应用弹塑性力学抬出的关系,在弹性阶段玉--l’涤{01.=叮,加二(气。+陌2蔽(7)(。:。+林萨,)。图2斜射工作原理图由于以上原因,德鲁克(Drucker)提出的斜射分离应力的方法在贴片光弹法中有很大意义。原理如下〔图2〕:光校在主应力。:平面射以e,角入射时(指袒贴片塑料拆射后的入射角),光程差”。;一2·俞·c·(。:,一。;,cosZe,),(4)而在。:平面内以e:角射入时`。:一2·俞·c(。,,一。:声,e:),(5)其中C为贴片塑料的应力光学系数,它与应变光学系数K的关系是在塑性阶段〔’〕o,=5.,。〔1一姚`习,及米塞斯条件:。1一。名月一·一-三2竺一目-二巴竺二二二丫.2由(8),(9)式可得杯4几:+。呈二+2凡。:.2F3,./~一一1了--乙VO[1一(:-叮.十:娜匀.十8孟.,单乙丫1一』匕、1.口侣才月/、一石亡书/刁(8)(9)(10)Ep·C1+林户(6)由(10)式可求出a:,再由(9)式解得oim,道理虽然商单,一但舒算是繁复的。在空边情况一凡由于垂直于空边应力分量为零,可值接由等色技得出应力数植。粽_上所述,贴片光弹拭墩时,需要祀录如下参数:乍E,、协,、K;几、入;各二斜射时还要犯录e、各。:、6。:。三使用的仪器一一反射式光弹仪按照光袂通过贴片塑料的方式可分为V型及双行程式〔图(3)〕两类。美国Bdnd公司生产的LP/Z一S型、LF/Z一D型仪器,通用电气公司(G.E.C.)拭制的T.Slat盘式反射光弹仪;日本理研针器株式会社生产的大、小皮膜法实暇装置(PA一7、PA一11型仪器);英国Hosrtman公司生产的精密手持观察器(PericsfonHandViewer);以及苏联科学院机械研究所拭制的V型偏振仪都是属于V型一类的反射光弹仪三而Budd公司的SF/ZeeBia型、SF/Z一Ell型及SF/Z一Cel型告屡于双行程式的仪器〔4,6,8,9,12,13〕。V型仪器的入射光路和反射光路成V字形,而在双行程式中是重合的,因此双行程式的精度夕乏岑。,诱jjjjj图3反射式光弹仪光路原理图(a)V型(b)双行程式p:、p:一偏扳片玉M一零件玉口i、巧一11魂波片ip一贴片升s一光源升T一反射搜。较高,但由于光路中牢反射镜T的存在,光塌弱,条枚清晰度差,尤其露天现爆实毅时更感困难;V型仪器恰恰相反,在高应力梯度区域应用时是会带来一定的换差的。不过,应力梯度究竟多高便不能使用lHJ有待研究。a)仪器本体图4QK卜V型反射式光弹仪外形西)装箱图由起重所投爵,北京科学仪器厂斌制的QKI.V型反射式光弹仪(图4)是属于大砚坍V型的一种携带式仪器〔1,3’。在1964年10月23日召开的由机械科学院等十余个单位参加的鉴定会上对仪器作了鉴定,认为仪器性能是比较满意的,并提出了进一步改进意冕。仪器本体由五个可装卸部件粗成:1。相机及相机支架三2。光源;3。偏振器;4.斜射应力分离装置三5.三脚架。此外还有仪器箱及三脚架皮套附件,以便携带外测。图5为仪器的光学元件布置,图5。为一般工作时元件布置图(翻取正射时等色换、等倾校),图sb为斜射时工作图。本仪器的桔构及光路特点如下:1。起偏镜光路和榆偏镜光路夹角2“能在....................日,..|目,les.|曰曰曰)r日日出出}}}}}图5QKI一v型射反光弹仪光路图(a)一般工作时(b)斜射工作时(带斜射装置)C,、c:一波色片(几二5461。人)玉刀一散光片二w一全波片;A一聚光镜乡D一光源反光镜(球面)升N一相机升R一平面反光镜(其余符号同图3)。60。范圃内调节,在任意交角位置时,可单独棘动偏振片、十波片,或同步傅动偏振片,以敌取各种角度参数时的等倾枝。可以形成四种复式偏光系杭。可以应用aTrdy补偿法渭分数极条牧;2.装有全波片。其口视功50毫米,它可以使条枚移动一极,用来赘取。一专极条枚,以及协助整数极条枚序数的确定。带有散光片、滤色片(入=5461OA),可以散光、聚光式两用乡白光、单色光两用。当然,用白燃光源加上滤色片,得到单色光是不钝的,但是能观察出9极条救,在普通金屡上弹性或小弹塑性范圆应用贴片法时,由于现有贴片灵敏度限制,已握足够了三3.采用单镜头反光照相机拍照韶录,取景方便,无砚差之J比;4.桔构上采用独特的双旋向蜗杆傅动及薄壁零件,体积小,重量鞍。双旋向蜗杆傅动比为1:41;5.万能三脚架可支承仪器作水平迥裨、俯仰、横摆等运动,可把光束朝向空简任意方位的零部件表面。仪器规格与参数:1.净重:14公斤;2.仪器装箱总重:26公斤;3.三脚架毛重(连皮套):7.2公斤;4.光源:白饿灯300瓦,220伏;5.最大有效偏振塌二势120毫米。v型反射光弹仪工作时,偏振片,十波片的光朝相对位置和普通光弹仪相似,用平面偏振光系抗渭取等倾校,用圆偏光系抗藏取等色校。但其特点在于,光总是斜射到贴片上的,因此,光将在塑料的__仁、一卜表面产生反射与拆射,由物理光学知道,这将改变光的偏振性质。应用电介质表面的反射、折射的置涅耳公式及金屡表面反射的理篇来作爵算表明,当入射角a较小时,翘折射、反射的偏振光l及塑料上表面的反射光l尸仍近似为圆偏光(图sa),可为原正交偏光系抗消光(暗砚塌)三但在平行光塌系抗(明祖塌)时,因反射光n`的光强可达反射光“的光强令一十(“一”`时)l,使塑料上表面产生雾署现象,影响观测,这为实嗽所征实。当入射角a增大时,正交偏光系杭亦不能很好消光,故一般工作时,入射角a不能太大(a《90)。此外,在斜射装置工作时,由于光校以大角度投射到反光镜R及塑料下表面(图sb),引起偏振分量振幅及相位很大的改变,产生椭囿偏振化周题,得不到理想的暗祖塌,使仪器斜射装置性能不佳,有待改进。QKleeV型仪器的精度拭脆是很有意义的〔幻。前面已樱羡明,V型仪器究竟在多大的应力梯度范圆内使用还有待研究。我仍作了几个具体样品实测,和普通光弹仪实啦桔果及理输解作了比较。实耽桔果的换差包括了仪器、测量、数据处理等方面的没差,为了减小样品侧拭、数据处理等方面误差,以反映出仪器的视差,实测中样品不采用贴片塑料,而采用普(a)(b)(e)(才)(e)(f)图6精度鉴定样品的等色袂与等倾校图(a)对压圆盘的等色修,载荷P二148.3公斤,材料拉力条杖值f。=11.4公斤Z厘来。()I)对压圆盘。。等倾换(r)对压圆盘30.等斜技(d)对压圆环的等色犊,载荷p=57.4公斤,材料拉力教位大=11.4公斤Z厘来(。)对压回环O。等倾枝(f)对压圆环45“等倾换19、,v/........lllllllllllllllll卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜习习习习习日日11111;才才:尸尸尸lll88888好好///////必必必必必必必必了了了11111月月月月月月矛矛rrr}}}111}}}}}尹尹尹尹尹夕夕}}}}}}}}}}}}}}}}毖毖毖声声ggggggggg}}}}}}{{{{{派派矿,一。a。,。`.’,八”““{{{...下下下下下产产产犷犷厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂nnnnnnnnnnn奋··7777777川川川川厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂厂月月月月月月月月月产产产产产月月月月月月月月尸尸尸尸尸尸洲洲洲洲洲洲洲尹尹尹尹尹尹尹护护护护护护产````````洲洲洲洲尹尹rrrrrrrrrrrrrrrrr(`)习习习{{{i``}}}}}}}_333331111111一弓弓弓77777lllll一一泛泛泛泛不不不不不尸一牛(b)叮叮叮叮口口口口口口口口口口口」」」」」」」」」」」」几几几几几几几几口口曰曰曰曰口口口口口口口口口口口」」//////////////月月月月月瑞瑞爪爪爪爪爪盯盯盯盯盯盯盯匕匕匕口口口口口口口口口口口日