光彈實(shí)驗(yàn)報(bào)告

光彈性應(yīng)力測(cè)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)教師:學(xué)院:班級(jí):學(xué)號(hào):姓名:一、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目的了解光彈性試驗(yàn)的基本原理和方法，認(rèn)識(shí)偏光彈性儀；觀察模型受力時(shí)的條形圖案，認(rèn)識(shí)等差線和等傾線，了解主應(yīng)力差和條紋值得測(cè)量；3.利用圖像處理軟件，對(duì)等傾線和等差線條紋進(jìn)行處理。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器1.由環(huán)氧樹脂或聚碳酸酯制作的試件模型一套；2.偏光彈性儀及加載裝置。三、 實(shí)驗(yàn)原理光彈性實(shí)驗(yàn)主要原理是根據(jù)光的這一特性：光在各項(xiàng)同性材料中不發(fā)生雙折射，而在各向異性的材料中發(fā)生雙折射，且光學(xué)主軸與應(yīng)力主軸重合。模型材料在受力前為各向同性材料，受力后部分區(qū)域變成各向異性，然后再根據(jù)光的干涉條件可知，在正交平面偏振場(chǎng)中，當(dāng)光程差為波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)（等差線）或者模型應(yīng)力主軸與偏振軸重合時(shí)（等傾線）光的強(qiáng)度為零，相應(yīng)地顯示出來的條紋為暗條紋，而在平行平面偏振場(chǎng)中，根據(jù)干涉條件可知，在正交平面偏振場(chǎng)中的暗紋條件恰好為平行平面偏振場(chǎng)亮紋的條件。然而，等傾線和等差線在一個(gè)圖像上顯示，難免會(huì)使圖像不清晰，為了改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中把平面偏振場(chǎng)改為圓偏振場(chǎng)，這樣就可以得到清晰的等傾線，它與平面偏振場(chǎng)的區(qū)別是在裝置的模型兩側(cè)分別加了一個(gè)四分之一波片，當(dāng)然了，也可以通過快速旋轉(zhuǎn)正交偏振軸，快到應(yīng)力模型上不同度數(shù)等傾線的取代過程用肉眼分辨不出來來消除等傾線的影響。應(yīng)力模型所使用的儀器為偏光彈性儀，由光源（包括單色光源和白光光源）、一對(duì)偏振鏡、一對(duì)四分之一波片以及透鏡和屏幕等組成，其裝置簡(jiǎn)圖1。圖1光彈性儀裝置簡(jiǎn)圖S一光源 一透鏡 P一起偏鏡 M一四分之一波片A—檢偏鏡 O—試件 I—屏幕光彈性實(shí)驗(yàn)中最基本的裝置是平面偏振光裝置，它主要由光源和一對(duì)偏振鏡組成，靠近光源的一塊稱為起偏鏡，另一塊稱為檢偏鏡。當(dāng)兩偏振鏡軸正交時(shí)開成暗場(chǎng)，通常調(diào)整一偏振鏡軸為豎直方向，另一為水平方向。當(dāng)兩偏振鏡軸互相平行時(shí)，則呈亮場(chǎng)。M是四分之一波片，若把四分之一波片的快慢軸調(diào)整到與偏振片的偏振軸成45°的位置，就可以得到圓偏振光場(chǎng)。（1）平面光彈性的應(yīng)力一光學(xué)定律光彈性模型使用特殊材料制成的，在力的作用下呈現(xiàn)出雙折射現(xiàn)象。如把受力模型處于偏振光場(chǎng)中，便可以看到這個(gè)雙折射現(xiàn)像。設(shè)光彈性模型為平面應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)平面偏振光垂直入射受力模型平面時(shí)，只要不超過材料彈性極限，其雙折射性質(zhì)遵循下列兩條規(guī)律：1） 光波垂直通過平面受力模型時(shí)，它只沿這點(diǎn)的兩個(gè)主應(yīng)力方向分解并振動(dòng)，且只在乎應(yīng)力平面內(nèi)通過。2） 兩光波在兩主應(yīng)力平面內(nèi)通過的速度不等，因其折射率發(fā)生了改變，其變化量與主應(yīng)力大小呈線性關(guān)系。光程差：8=Ch（*-氣） 【C為兩應(yīng)力光學(xué)系數(shù)的差值；h為模型厚度】 （1）相對(duì)光程差：N=|=^^（a1-02）

令：°廣C令：°廣C；可變化為如下形式：斜一。2=4(2)常數(shù)。0稱為模型條紋值，f稱為材料條紋值；f約為12.5kN/m級(jí)。（2）受力模型在平面偏振光場(chǎng)中的光彈效應(yīng)將一個(gè)平面受力模型置于平面偏振光場(chǎng)中，入射光矢量E將通過偏振片、模型雙折射I=A2sin2—sin22a片和分析片。光波強(qiáng)度變?yōu)镮： 2A為常數(shù)，a為模型內(nèi)主應(yīng)力方向與偏振軸的夾角，—為模型雙折射片產(chǎn)生的滯后量。當(dāng)光程差為光波波長(zhǎng)入的整數(shù)倍時(shí)，即\=N入 N=0，1，2，…… （3）產(chǎn)生消光干涉，呈現(xiàn)暗場(chǎng)，同時(shí)滿足光程差為同一整數(shù)倍波長(zhǎng)的諸點(diǎn)，形成黑線，稱為等差線，由式（1）、（2）、（3）可得到Nfcr-a=—12h⑷/其中 c稱為材料條紋值。由此可知，等差線上各點(diǎn)的主應(yīng)力差相同，對(duì)應(yīng)于不同的N值則有0級(jí)、1級(jí)、2級(jí)……等差線。此外，在模型內(nèi)凡主應(yīng)力方向與偏振鏡軸重合的點(diǎn)，亦形成一暗黑干涉條紋，稱為等傾線，等傾線上各點(diǎn)的主應(yīng)力方向相同，由等傾線可以確定各點(diǎn)的主應(yīng)力方向。當(dāng)二偏振鏡軸分別為垂直水平放置時(shí)，對(duì)應(yīng)的為零度等傾線。（3）受力模型在圓偏振場(chǎng)中的光彈效應(yīng)在平面偏光儀的基礎(chǔ)上再加使用兩塊四分之一波片，放置時(shí)使其快慢軸相互垂直，Q的快軸與x軸成45°，O與x軸承-45°放置。—得：I=A2sin2—2其只包含兩波的相位差所引起的等差線條紋。四、實(shí)驗(yàn)步驟純彎梁實(shí)驗(yàn)（測(cè)定材料條紋值f）1、 將儀器部置成雙正交偏振光場(chǎng)。2、 測(cè)量模型尺寸H，h并劃線。3、調(diào)整加載杠桿使之平衡，根據(jù)劃線位置將按圖2所示安裝成純彎受力形式。圖2 純彎曲梁模型及加載裝置圖2 純彎曲梁模型及加載裝置圖3純彎曲梁等差線示意圖開啟白光光源，對(duì)模型施加少許載荷，調(diào)整成像系統(tǒng)，使在屏幕上成適宜大上和清晰的映像，并觀察條紋的對(duì)稱性，若不對(duì)稱，則調(diào)整加載裝置直到對(duì)稱為止。4、 逐級(jí)加載，觀察等差線的生成和變化特點(diǎn)，找到零級(jí)條紋位置及條紋變化規(guī)律，用釘壓法判斷邊界應(yīng)力符號(hào)。5、 在屏幕上用描圖紙描繪模型邊界線及等差線條紋圖示標(biāo)明級(jí)數(shù)，記下載荷P。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)處理1）已知：P=300N1）已知：P=300N，h=8.32mm，H=25.16mm，a110-60.7=24.65mm；My hH3純彎曲梁理論應(yīng)力值：b= ，I=—；Iz12得：b=茶(「為載荷，h為梁厚度，H為梁高度，a為支座之間的距離)2)由bi-b2一〃才，對(duì)純彎曲梁b2=0；所以：b1=nf，(f0=12.5KN/m，d=8.32mm)3)等差線圖與模型上等差線長(zhǎng)度之比為：1:1.948。測(cè)得：等差線條紋總寬度為48.1mm，各級(jí)條紋距中性層的距離為9.1mm，8.8mm，17.2mm，18.9mm，條紋級(jí)數(shù)