利用光弹性应力检测气压变化

光弹性(英语:Photoelasticity)是某些透明材料(主要是塑料、玻璃、环氧树脂等非晶体)在承受载荷出现应变的状态下由各向同性变成各向异性并展现出对光的双折射的现象。基于这种材料性质发展出的描绘物体应力应变分布的试验物理学方法称为光测弹性学。相比于应力-应变的分析学方法(数学方法)的局限,光弹性法对于描绘复杂几何结构以及复杂载荷下的物体的应力应变尤其有效,是用于检测临界应力点和应力集中的重要方法。

理论框架

实验原理

光线通过各向同性的透明介质时,由于介质中的微粒或分子的作用,产生散射光。垂直于传播方向的散射光,是平面偏振光。它的光强度和入射光的性质、材料的散光性能以及观察方向有关。入射为自然光时,在传播轴的所有垂直方向的散射光的光强度相等。

光弹性是基于一些透明材料的双折射现象。双折射是指光线透过材料时表现出两种不同的折射率,在许多晶体中可以观察到这种现象。在光测弹性过程中,光弹性材料的某一点的折射率大小跟该点的应力状态直接相关。通过偏光器分析双折射,可以得到诸如最大切应力及其方向等信息。

实验目的

  1. 了解光测弹性现象检测气压变化的原理
  1. 筛选合适的光弹性材料
  1. 制作可以检验气压变化导致光弹性变化的实验仪

实验步骤

找到合适的光弹性材料

  • PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯(亚克力)

PMMA的透光性好,经查阅文献,PMMA是用来光弹性应力的良好材料,所以我们首次就采用PMMA做实验. 然而结果并不理想, 我们在实验中发现, 预先注塑的PMMA盒子确实会有明显的光弹性条纹, 然而板材却没有条纹. 我们分析这是因为预注塑的盒子在制造过程中的残留应力很大, 所以会有条纹, 然而我们发现PMMA的刚性极好, 气压并不能使PMMA足以发生明显的形变, 所以我们放弃使用PMMA.

  • PVC 聚氯乙烯

聚氯乙烯在工业管材中使用广泛, 但是我们发现PVC并不透光, 所以放弃使用, 转而将其使用在实验装置的进气/出气管的制作上.

  • PC 聚碳酸酯

PC透光性良好,然而我们却没有在PVC实验中发现干涉条纹, 我们还是猜想板材在铸造过程中内应力很小, 所以没有干涉条纹, 而且PC的刚性很好, 气压无法使之产生形变.

  • Si Gel 硅胶

硅胶质软, 在气压影响下形变明显, 但是我们发现其透光性并不好, 由于其乳白色的外观, 导致干涉条纹十分暗淡, 不利于观察, 因此弃用.

    
*   TPU    聚氨酯

聚氨酯是我们发现的目前最合适的材料之一: 首先TPU的透光性良好, 虽然为淡黄色的外观, 但是条纹仍然比较明显. 而且材质较软, 在气压压力下形变比较明显, 所以我们最终选择聚氨酯作为实验器材的材料.

选择合适的材料形状及尺寸

  • 板材
   板材的长宽,厚度,颜色
  • 管材
   管材的内外径,厚度,颜色

我们现有聚氨酯板材和管材可选, 然后我们发现管材的直径比较小, 而且管壁较厚, 形变困难. 于是我们选择把聚氨酯板卷成桶状, 并且在两端套在PVC管上, 并加以固定.

制作光弹性气压实验装置

  • 尺寸

由于实验仪器大小有限, 所以必须限制实验装置的大小, 使之能放入仪器内.

*  气密性
   气密性是显示气压应力必须考虑的问题. 我们在PVC管材两端先绕上一层泡沫胶, 然后将聚氨酯绕在泡沫胶上, 最后用铁丝扎紧进行固定. 在缠绕中间的缝隙则用胶水进行填充.       
  • 应力分布

如果尺寸太大, 则曲率半径不够, 条纹不明显. 如果尺寸过小, 那么相对的形变难度增大, 对气压的敏感度不够, 所以必须取一个平衡大小.最终成品如图所示:

期中报告之后的改进

期中报告制作的的成品还有一些不足之处;

1.观察面积变得有点小.需要扩大观察面积

2.聚氨酯板的厚度过厚, 需要降低聚氨酯厚度.

3.希望制造一些不同形状的仪器.针对以上几点, 我们对仪器进行了改进.

改进后的仪器改用0.5cm厚的聚氨酯材料, 是原先厚度的1/4. 工作状态:

视频链接可从http://pan.baidu.com/s/1i5i4koX下载.

后记:我们还开发了另外两种仪器:

1.矿泉水瓶上加上聚氨酯塑料:

这个装置的主要问题是:当放入仪器中时, 要从瓶盖方向抽气, 这样就只能侧向放入, 就观察不到塑料的形变情况了.

2.用502胶将聚氨酯板粘贴在盒子两侧,再在侧面开孔

效果如图所示:

但这个装置的现象不太明显, 我们认为原因应该是粘贴的聚氨酯板曲率比较小, 导致内应力不足, 条纹不明显.

 
course/demo/projects/2016/photoelastic_stress.txt · 最后更改: 2016/06/11 20:03 由 13300200009
 
除额外注明的地方外,本维基上的内容按下列许可协议发布:CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Unported
Recent changes RSS feed Donate Powered by PHP Valid XHTML 1.0 Valid CSS Driven by DokuWiki