實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)(1)

1、固體力學(xué)實(shí)驗(yàn)II結(jié)課報(bào)告院（系）名稱航空科學(xué)與工程學(xué)院專 業(yè) 名 稱航空工程學(xué) 生 姓 名王燕學(xué) 號(hào)Z6月一、 概述為了解決自然界和工程技術(shù)中越來(lái)越復(fù)雜多樣的固體力學(xué)問(wèn)題需要提出的更精確的實(shí)驗(yàn)方法與更科學(xué)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，由此催生了實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)。實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)研究的內(nèi)容主要包含兩大方面：一是對(duì)固體力學(xué)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量力學(xué)量的值；二是研究與開(kāi)發(fā)新型的固體力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和工程測(cè)試手段。隨著力學(xué)的發(fā)展，實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)的特點(diǎn)日益凸顯，它是理論與實(shí)踐聯(lián)系的關(guān)鍵紐帶，并且具有很強(qiáng)的跨學(xué)科性，物理學(xué)中的聲、光、點(diǎn)、磁等現(xiàn)象及其與力學(xué)相關(guān)的規(guī)律均可以用來(lái)進(jìn)行力學(xué)量的測(cè)試。本課程主要介紹了光測(cè)力學(xué)的

2、相關(guān)方法與用途。其中包括：幾何云紋法；云紋干涉法；光彈性法；散斑干涉及剪切散斑干涉法；數(shù)字圖像相關(guān)法；全息、數(shù)字全息干涉法等。光測(cè)力學(xué)方法相比于其他固體力學(xué)測(cè)試技術(shù)具有全場(chǎng)性、非接觸性、高精度等有優(yōu)勢(shì)，一般以（數(shù)字）圖像，特別是條紋圖像為信息載體，但操作和信息的提取較為復(fù)雜，也是光測(cè)力學(xué)方法的難點(diǎn)。今年來(lái)，光測(cè)力學(xué)方法在科研和工程中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，涉及的領(lǐng)域有材料、生物、微電子、氣象、土木、航空航天等等。近年來(lái)，在科學(xué)研究上，多場(chǎng)耦合條件下材料的力學(xué)行為機(jī)制研究是一個(gè)重要方向，研究對(duì)象向細(xì)觀甚至微、納米方向發(fā)展，此時(shí)，光測(cè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法幾乎成為唯一的選擇。在航空航天等工程領(lǐng)域的無(wú)損檢測(cè)方面

3、，泡沫材料、復(fù)合材料的大量應(yīng)用使得傳統(tǒng)檢測(cè)方法的應(yīng)用受到限制，光測(cè)力學(xué)方法以其快速、非接觸（避免污染）和靈敏的特點(diǎn)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。因此研究光測(cè)力學(xué)具有重要意義。二、 各種方法的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍1. 幾何云紋法圖1 云紋法測(cè)量變形原理圖1) 原理：云紋法又稱莫爾紋法，是變形分析的一種模擬方法。在實(shí)驗(yàn)力學(xué)中, 它指的是兩個(gè)空間頻率相差不大的振幅型光柵疊加在一起時(shí)所產(chǎn)生的明按交錯(cuò)的條紋圖案。通過(guò)分析云紋圖案和條紋間距,可以測(cè)量物體的面內(nèi)變形和應(yīng)變以及三維形貌,這種方法成為云紋法。2) 特點(diǎn)：云紋法可用感光或腐蝕的方法，在試件表面制成各種柵線，而不致引起試件表面強(qiáng)度的加強(qiáng)或削弱。此法是用光傳遞柵

4、線變形的信息，所以它的抗干擾性和穩(wěn)定性都比較好，也適用于非接觸式測(cè)量。它測(cè)量時(shí)所使用的設(shè)備簡(jiǎn)單，應(yīng)用范圍廣。但如果用此方法測(cè)量彈性范圍內(nèi)的微小應(yīng)變時(shí)，還缺乏足夠的靈敏度和準(zhǔn)確度，但是近年來(lái)隨著研究的深入也取得了不小的改進(jìn)。3) 適用范圍： 對(duì)于常用的工程材料，包括低彈性模量材料、粘彈性材料、各向異性材料、復(fù)合材料等，都可用云紋法進(jìn)行測(cè)試，它能用于測(cè)量動(dòng)載或靜載，可以用于測(cè)量大變形，還可以用于測(cè)定裂紋附近的彈塑性變形場(chǎng)等問(wèn)題。2. 云紋干涉法圖2 測(cè)量面內(nèi)變形的云紋干涉光路圖1) 原理：對(duì)稱與試件柵法向入射的兩束相干準(zhǔn)直光在試件表面交匯區(qū)域內(nèi)形成頻率為試件柵兩倍的空間虛柵，當(dāng)試件受載變形時(shí)，刻制

5、在試件表面的試件柵也隨之變形，變形后的試件柵與作為基準(zhǔn)的空間虛柵相互作用形成云紋圖，該云紋圖即為沿虛柵主方向的面內(nèi)位移等值線。2) 特點(diǎn)：云紋干涉法具有非接觸、實(shí)時(shí)全場(chǎng)位移和應(yīng)變分析，高靈敏度，大量程，高反差條紋，良好的條紋對(duì)比度，直觀等優(yōu)點(diǎn)。它克服了通常全息干涉法不能直接獲取面內(nèi)位移場(chǎng)的困難，比幾何云紋法、散斑照相法更具有靈敏度，而且其量程也不像散斑干涉那樣受到嚴(yán)格的限制。但是需要貼和轉(zhuǎn)移光柵，過(guò)程較為繁瑣。3) 應(yīng)用范圍：適用于測(cè)量面積較小、變形微小的試件。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，云紋干涉法的理論研究已基本成熟，應(yīng)用研究也取得了很大進(jìn)展?，F(xiàn)在云紋干涉法原則上可以獲得全息干涉法、散斑干涉法等所能獲

6、得的全部結(jié)果。幾何云紋法與云紋干涉法的特點(diǎn)比較見(jiàn)表1。表1 幾何云紋法與云紋干涉法的比較幾何云紋法云紋干涉法條紋形成機(jī)制幾何光學(xué)干涉物理光學(xué)干涉測(cè)試分辨率測(cè)平面位移時(shí)的分辨率為參考柵的一個(gè)柵距，一般為10-1000微米受制于光柵的空間頻率，以1200 l/mm為例，測(cè)試分辨率為417納米測(cè)試分辨率均取決于光柵的空間頻率變形的正負(fù)均可用相同方法判斷條紋處理方法相同實(shí)現(xiàn)相移方法相同3. 光彈性法圖3 光彈法的光路及光彈條紋場(chǎng)的獲取1) 原理：光彈性法是應(yīng)用光學(xué)原理研究彈性力學(xué)問(wèn)題的一種實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析方法。將具有雙折射效應(yīng)的透明塑料制成的結(jié)構(gòu)模型置于偏振光場(chǎng)中，當(dāng)給模型加上載荷時(shí)，即可看到模型上產(chǎn)生的

7、干涉條紋圖。測(cè)量此干涉條紋，通過(guò)計(jì)算，就能確定結(jié)構(gòu)模型在受載情況下的應(yīng)力狀態(tài)。2) 特點(diǎn)及適用范圍：光彈性法是一種全場(chǎng)性測(cè)量法。用這種方法可以了解三維結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力（或位移）分布的全貌，能夠清晰地反映出應(yīng)力集中現(xiàn)象，直觀性強(qiáng)、一目了然。特別是由于很多光彈圖像都是通過(guò)照相、攝影燈方式獲得資料信息的，不需在結(jié)構(gòu)物上直接安裝傳感器或其他測(cè)試裝置，所以它是非接觸式測(cè)量，也是非破壞性的測(cè)量，而且獲得的圖像信息還可長(zhǎng)期儲(chǔ)存。3) 應(yīng)用范圍：對(duì)于研究結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度問(wèn)題以及方案設(shè)計(jì)的比較和改進(jìn)，應(yīng)用光彈性方法都很有優(yōu)勢(shì)?？捎糜趩蜗蚴芰υ嚰袌A孔的應(yīng)力集中系數(shù)測(cè)定，裂紋在兩種材料截面附近的擴(kuò)展行為等問(wèn)題。4. 電子

8、散斑干涉法 圖4電子散斑干涉法測(cè)量原理圖1) 原理：電子散斑干涉無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是基于物體結(jié)構(gòu)損傷處的外表面在靜載荷或動(dòng)載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生非均勻的表面位移或變形，在有規(guī)則的干涉條紋中會(huì)出現(xiàn)明顯的異狀，如不連續(xù)、突變的形狀變化和間距變化等，通過(guò)測(cè)算這些微小的變化，便可查明物體內(nèi)部缺陷及其位置。2) 特點(diǎn)：與常規(guī)無(wú)損檢測(cè)手段如射線、超聲波、電磁、滲透和磁粉檢測(cè)技術(shù)等相比，電子散斑干涉技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量信息豐富,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)處理，測(cè)量精度高，能達(dá)到激光的波長(zhǎng)級(jí)別；能進(jìn)行全場(chǎng)檢驗(yàn)，使用方便，檢測(cè)效率高，適用于形狀比較復(fù)雜的物體；檢測(cè)結(jié)果易于保存，電子散斑條紋圖可以數(shù)字形式保存在存儲(chǔ)介質(zhì)中，便于后續(xù)處理

9、分析；測(cè)試儀器可在較強(qiáng)的光照條件下工作，即使在太陽(yáng)光下也可測(cè)量高溫物體的損傷。3) 應(yīng)用范圍：電子散斑干涉法位移測(cè)量的靈敏度可達(dá)到波長(zhǎng)量級(jí)，應(yīng)變測(cè)量靈敏度再幾十微應(yīng)變，適用于全場(chǎng)變形的實(shí)時(shí)測(cè)量，它被廣泛的用于無(wú)損檢測(cè)，及光學(xué)粗糙表面的振動(dòng)測(cè)量和模態(tài)分析，其次它被用于物體輪廓的測(cè)量，電子散斑技術(shù)還可用于高溫物體的位移測(cè)量和熱變形的測(cè)量。如今電子散斑技術(shù)已成功應(yīng)用于許多工程機(jī)械的無(wú)損檢測(cè)中，例如飛行器部件、復(fù)合材料分離部位、蜂窩結(jié)構(gòu)和火箭推進(jìn)劑藥柱中的裂紋、分層、開(kāi)裂和氣孔等缺陷檢測(cè)。5. 數(shù)字圖像相關(guān)方法1) 原理：又稱數(shù)字散斑相關(guān)法，是一種基于數(shù)字圖像處理和數(shù)值計(jì)算的、先進(jìn)的光學(xué)計(jì)量方法，其通

10、過(guò)分析變形前后的兩幅圖像（2D DIC）、圖像對(duì)(3D DIC)或體圖像（DVC）來(lái)測(cè)量物體表面的二維變形、三維變形或者內(nèi)部變形。2) 特點(diǎn)：數(shù)字圖像相關(guān)方法是一種非接觸、全場(chǎng)測(cè)量方法，測(cè)量設(shè)備及過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)需激光、隔震臺(tái)等，測(cè)量過(guò)程高度自動(dòng)化，可直接獲得變形場(chǎng)。其分辨率可達(dá)到零點(diǎn)幾個(gè)像素。但目前的技術(shù)不適合宏觀物體的非均勻小變形的測(cè)量，并且計(jì)算耗時(shí)，目前的計(jì)算不能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。3) 應(yīng)用范圍：多用于直接測(cè)量各種尺度物體表面（甚至物體內(nèi)部）在載荷作用下的位移/形變場(chǎng)，確定各種材料（復(fù)合材料、生物材料、低維材料）的力學(xué)常數(shù)，以及驗(yàn)證有限元計(jì)算和力學(xué)理論分析的正確性。6. 全息/數(shù)字全息干涉法

11、1) 原理：全息干涉計(jì)量是利用全息照相的方法來(lái)進(jìn)行干涉計(jì)量，與一般光學(xué)干涉檢測(cè)方法很相似，也是一種高精度、無(wú)損、全場(chǎng)的檢測(cè)方法，靈敏度和精度也基本相同，只是獲得相干光的方式不同。全息干涉計(jì)量術(shù)是將同一束光在不同時(shí)間的波前來(lái)進(jìn)行干涉，可以看作是一種波前的時(shí)間分割法。隨著數(shù)字相機(jī)高空間分辨率的提高，通過(guò)數(shù)字記錄、數(shù)值再現(xiàn)的數(shù)字全息逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的全息方法。它是用光電傳感器件代替干板記錄全息圖，然后將全息圖存入計(jì)算機(jī)，用計(jì)算機(jī)模擬光學(xué)衍射過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)被記錄物體的全息再現(xiàn)和處理。2) 特點(diǎn)：相干光束由同一光學(xué)系統(tǒng)所產(chǎn)生，因而可以消除系統(tǒng)誤差。對(duì)于一般光學(xué)干涉檢測(cè)方法，物光波是與一個(gè)作為標(biāo)準(zhǔn)的參考光波（如一

12、個(gè)平面光波）相比較。這種情況下，物光會(huì)受到包圍待測(cè)物體的介質(zhì)的影響而產(chǎn)生附加條紋，使最后得到的條紋圖樣變得復(fù)雜化，因此，對(duì)檢測(cè)環(huán)境、條件要求非常嚴(yán)格。而在全息干涉計(jì)量的情況下，它是將同一束光在不同時(shí)間的波前來(lái)進(jìn)行干涉，相干光束是由同一光學(xué)系統(tǒng)所產(chǎn)生，因而包圍介質(zhì)的欠缺引起的光程變化會(huì)自動(dòng)抵消，故這種方法與包圍待測(cè)物體的介質(zhì)的光學(xué)質(zhì)量無(wú)關(guān)；同樣的原因，它對(duì)光學(xué)元件的精度要求比一般光學(xué)干涉檢測(cè)方法低得多，因而，設(shè)備的費(fèi)用也較低。數(shù)字全息干涉法的特點(diǎn)有，制作成本低，成像速度快，結(jié)果實(shí)時(shí)顯示，記錄再現(xiàn)靈活，參數(shù)（焦距、圖像尺寸、分辨率）可靈活控制。3) 應(yīng)用范圍：漫射固體表面三維位移場(chǎng)和振動(dòng)幅值場(chǎng)的測(cè)

13、量；透明固體內(nèi)厚度變化和折射率變化的測(cè)量；三維物表面形狀測(cè)量等。三、 感想與收獲本人是飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)，研究方向大致為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，礙于條件限制教研室內(nèi)其實(shí)并沒(méi)有任何實(shí)驗(yàn)類的工作，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)方面的了解非常少。但是，實(shí)驗(yàn)是科研中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，任何新的理論推導(dǎo)或數(shù)值計(jì)算結(jié)果在有條件的情況下都應(yīng)該經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證才具有實(shí)際意義，因此選擇這門(mén)課也是想填補(bǔ)一下我在實(shí)驗(yàn)方面的一點(diǎn)空白，對(duì)當(dāng)下航空航天領(lǐng)域使用的實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備有一定了解，將來(lái)如果有機(jī)會(huì)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作也能在心中有個(gè)大概的理念。這門(mén)課讓我比較系統(tǒng)地了解到了當(dāng)下實(shí)驗(yàn)固體力學(xué)方面主流的固體測(cè)試技術(shù)，由此是對(duì)各種光測(cè)法有了比較深入的理解，我目前的研究方向是復(fù)合材料相關(guān)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從課程中了解到電子散斑技術(shù)可以用于復(fù)合材料分離部位的檢測(cè)，另外數(shù)字圖像技術(shù)也可以用于復(fù)合材料力學(xué)性能的相關(guān)測(cè)量，將來(lái)如果有機(jī)會(huì)希望也許可以將這兩種技術(shù)應(yīng)用到目前的研