實驗固體力學(1)

1、固體力學實驗II結(jié)課報告院（系）名稱航空科學與工程學院專 業(yè) 名 稱航空工程學 生 姓 名王燕學 號Z6月一、 概述為了解決自然界和工程技術(shù)中越來越復雜多樣的固體力學問題需要提出的更精確的實驗方法與更科學的實驗過程，由此催生了實驗固體力學。實驗固體力學研究的內(nèi)容主要包含兩大方面：一是對固體力學進行實驗，測量力學量的值；二是研究與開發(fā)新型的固體力學實驗技術(shù)和工程測試手段。隨著力學的發(fā)展，實驗固體力學的特點日益凸顯，它是理論與實踐聯(lián)系的關鍵紐帶，并且具有很強的跨學科性，物理學中的聲、光、點、磁等現(xiàn)象及其與力學相關的規(guī)律均可以用來進行力學量的測試。本課程主要介紹了光測力學的

2、相關方法與用途。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)字圖像相關法；全息、數(shù)字全息干涉法等。光測力學方法相比于其他固體力學測試技術(shù)具有全場性、非接觸性、高精度等有優(yōu)勢，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雜，也是光測力學方法的難點。今年來，光測力學方法在科研和工程中得到越來越廣泛的應用，涉及的領域有材料、生物、微電子、氣象、土木、航空航天等等。近年來，在科學研究上，多場耦合條件下材料的力學行為機制研究是一個重要方向，研究對象向細觀甚至微、納米方向發(fā)展，此時，光測力學實驗方法幾乎成為唯一的選擇。在航空航天等工程領域的無損檢測方面

3、，泡沫材料、復合材料的大量應用使得傳統(tǒng)檢測方法的應用受到限制，光測力學方法以其快速、非接觸（避免污染）和靈敏的特點正得到越來越廣泛的應用。因此研究光測力學具有重要意義。二、 各種方法的特點和應用范圍1. 幾何云紋法圖1 云紋法測量變形原理圖1) 原理：云紋法又稱莫爾紋法，是變形分析的一種模擬方法。在實驗力學中, 它指的是兩個空間頻率相差不大的振幅型光柵疊加在一起時所產(chǎn)生的明按交錯的條紋圖案。通過分析云紋圖案和條紋間距,可以測量物體的面內(nèi)變形和應變以及三維形貌,這種方法成為云紋法。2) 特點：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度的加強或削弱。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量。它測量時所使用的設備簡單，應用范圍廣。但如果用此方法測量彈性范圍內(nèi)的微小應變時，還缺乏足夠的靈敏度和準確度，但是近年來隨著研究的深入也取得了不小的改進。3) 適用范圍： 對于常用的工程材料，包括低彈性模量材料、粘彈性材料、各向異性材料、復合材料等，都可用云紋法進行測試，它能用于測量動載或靜載，可以用于測量大變形，還可以用于測定裂紋附近的彈塑性變形場等問題。2. 云紋干涉法圖2 測量面內(nèi)變形的云紋干涉光路圖1) 原理：對稱與試件柵法向入射的兩束相干準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，當試件受載變形時，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：云紋干涉法具有非接觸、實時全場位移和應變分析，高靈敏度，大量程，高反差條紋，良好的條紋對比度，直觀等優(yōu)點。它克服了通常全息干涉法不能直接獲取面內(nèi)位移場的困難，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格的限制。但是需要貼和轉(zhuǎn)移光柵，過程較為繁瑣。3) 應用范圍：適用于測量面積較小、變形微小的試件。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，云紋干涉法的理論研究已基本成熟，應用研究也取得了很大進展?，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比較見表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制幾何光學干涉物理光學干涉測試分辨率測平面位移時的分辨率為參考柵的一個柵距，一般為10-1000微米受制于光柵的空間頻率，以1200 l/mm為例，測試分辨率為417納米測試分辨率均取決于光柵的空間頻率變形的正負均可用相同方法判斷條紋處理方法相同實現(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的獲取1) 原理：光彈性法是應用光學原理研究彈性力學問題的一種實驗測量分析方法。將具有雙折射效應的透明塑料制成的結(jié)構(gòu)模型置于偏振光場中，當給模型加上載荷時，即可看到模型上產(chǎn)生的

7、干涉條紋圖。測量此干涉條紋，通過計算，就能確定結(jié)構(gòu)模型在受載情況下的應力狀態(tài)。2) 特點及適用范圍：光彈性法是一種全場性測量法。用這種方法可以了解三維結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力（或位移）分布的全貌，能夠清晰地反映出應力集中現(xiàn)象，直觀性強、一目了然。特別是由于很多光彈圖像都是通過照相、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試裝置，所以它是非接觸式測量，也是非破壞性的測量，而且獲得的圖像信息還可長期儲存。3) 應用范圍：對于研究結(jié)構(gòu)物的強度問題以及方案設計的比較和改進，應用光彈性方法都很有優(yōu)勢。可用于單向受力試件中圓孔的應力集中系數(shù)測定，裂紋在兩種材料截面附近的擴展行為等問題。4. 電子

8、散斑干涉法 圖4電子散斑干涉法測量原理圖1) 原理：電子散斑干涉無損檢測技術(shù)是基于物體結(jié)構(gòu)損傷處的外表面在靜載荷或動載荷的作用下會產(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，通過測算這些微小的變化，便可查明物體內(nèi)部缺陷及其位置。2) 特點：與常規(guī)無損檢測手段如射線、超聲波、電磁、滲透和磁粉檢測技術(shù)等相比，電子散斑干涉技術(shù)主要有以下優(yōu)點：測量信息豐富,可實現(xiàn)實時處理，測量精度高，能達到激光的波長級別；能進行全場檢驗，使用方便，檢測效率高，適用于形狀比較復雜的物體；檢測結(jié)果易于保存，電子散斑條紋圖可以數(shù)字形式保存在存儲介質(zhì)中，便于后續(xù)處理

9、分析；測試儀器可在較強的光照條件下工作，即使在太陽光下也可測量高溫物體的損傷。3) 應用范圍：電子散斑干涉法位移測量的靈敏度可達到波長量級，應變測量靈敏度再幾十微應變，適用于全場變形的實時測量，它被廣泛的用于無損檢測，及光學粗糙表面的振動測量和模態(tài)分析，其次它被用于物體輪廓的測量，電子散斑技術(shù)還可用于高溫物體的位移測量和熱變形的測量。如今電子散斑技術(shù)已成功應用于許多工程機械的無損檢測中，例如飛行器部件、復合材料分離部位、蜂窩結(jié)構(gòu)和火箭推進劑藥柱中的裂紋、分層、開裂和氣孔等缺陷檢測。5. 數(shù)字圖像相關方法1) 原理：又稱數(shù)字散斑相關法，是一種基于數(shù)字圖像處理和數(shù)值計算的、先進的光學計量方法，其通

10、過分析變形前后的兩幅圖像（2D DIC）、圖像對(3D DIC)或體圖像（DVC）來測量物體表面的二維變形、三維變形或者內(nèi)部變形。2) 特點：數(shù)字圖像相關方法是一種非接觸、全場測量方法，測量設備及過程簡單，無需激光、隔震臺等，測量過程高度自動化，可直接獲得變形場。其分辨率可達到零點幾個像素。但目前的技術(shù)不適合宏觀物體的非均勻小變形的測量，并且計算耗時，目前的計算不能實時顯示測量結(jié)果。3) 應用范圍：多用于直接測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，確定各種材料（復合材料、生物材料、低維材料）的力學常數(shù)，以及驗證有限元計算和力學理論分析的正確性。6. 全息/數(shù)字全息干涉法

11、1) 原理：全息干涉計量是利用全息照相的方法來進行干涉計量，與一般光學干涉檢測方法很相似，也是一種高精度、無損、全場的檢測方法，靈敏度和精度也基本相同，只是獲得相干光的方式不同。全息干涉計量術(shù)是將同一束光在不同時間的波前來進行干涉，可以看作是一種波前的時間分割法。隨著數(shù)字相機高空間分辨率的提高，通過數(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算機，用計算機模擬光學衍射過程來實現(xiàn)被記錄物體的全息再現(xiàn)和處理。2) 特點：相干光束由同一光學系統(tǒng)所產(chǎn)生，因而可以消除系統(tǒng)誤差。對于一般光學干涉檢測方法，物光波是與一個作為標準的參考光波（如一

12、個平面光波）相比較。這種情況下，物光會受到包圍待測物體的介質(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雜化，因此，對檢測環(huán)境、條件要求非常嚴格。而在全息干涉計量的情況下，它是將同一束光在不同時間的波前來進行干涉，相干光束是由同一光學系統(tǒng)所產(chǎn)生，因而包圍介質(zhì)的欠缺引起的光程變化會自動抵消，故這種方法與包圍待測物體的介質(zhì)的光學質(zhì)量無關；同樣的原因，它對光學元件的精度要求比一般光學干涉檢測方法低得多，因而，設備的費用也較低。數(shù)字全息干涉法的特點有，制作成本低，成像速度快，結(jié)果實時顯示，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) 應用范圍：漫射固體表面三維位移場和振動幅值場的測

13、量；透明固體內(nèi)厚度變化和折射率變化的測量；三維物表面形狀測量等。三、 感想與收獲本人是飛行器設計專業(yè)，研究方向大致為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，礙于條件限制教研室內(nèi)其實并沒有任何實驗類的工作，所以對實驗方面的了解非常少。但是，實驗是科研中至關重要的環(huán)節(jié)，任何新的理論推導或數(shù)值計算結(jié)果在有條件的情況下都應該經(jīng)過實驗的驗證才具有實際意義，因此選擇這門課也是想填補一下我在實驗方面的一點空白，對當下航空航天領域使用的實驗方法和設備有一定了解，將來如果有機會進行相關的實驗工作也能在心中有個大概的理念。這門課讓我比較系統(tǒng)地了解到了當下實驗固體力學方面主流的固體測試技術(shù)，由此是對各種光測法有了比較深入的理解，我目前的研究方向是復合材料相關性能的優(yōu)化設計，從課程中了解到電子散斑技術(shù)可以用于復合材料分離部位的檢測，另外數(shù)字圖像技術(shù)也可以用于復合材料力學性能的相關測量，將來如果有機會希望也許可以將這兩種技術(shù)應用到目前的研