[发明专利]一种基于透明光弹材料同时测量饱和颗粒介质应力和位移的方法

说明书

本发明属于试验力学测试技术领域，一种基于透明光弹材料同时测量饱和颗粒介质应力和位移的方法。实验应力光弹法，利用透明颗粒介质在受力变形时产生光学各向异性的特点，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的现象；利用同色条纹图像，可得到模型中的应力状态和分布。本发明方法通过透明光弹颗粒材料和折射系数相匹配的孔隙液体配置成饱和多孔颗粒介质材料，可以用来研究自然界中饱和多孔颗粒材料内部包括岩土材料等在外力作用下的变形机理和应力分布的规律，降低研究成本，理解颗粒材料力学行为的内在机理。

技术领域

本发明属于试验力学测试技术领域，涉及测量饱和颗粒介质的应力和位移的一种方法，特别涉及到采用透明光弹颗粒介质和折射系数相匹配的孔隙液体以及数字图像相关技术测量颗粒内部应力和颗粒发生位移的一种方法。

背景技术

颗粒材料在自然界和工业界中是普遍存在的，如砂石材料、玻璃珠、谷物、工业上的药品等。在受到外部荷载或自重作用下的应力和变形是科研人员和工业界人士都比较关注的一个重要问题。由于颗粒材料在外力的作用下应力和位移是复杂的，而且颗粒数量众多，所以测量颗粒材料内部的应力和位移是一个比较困难的问题，目前变形的测量已经可以借助X-ray层析成像和CT扫描技术实现，但是由于这些技术比较昂贵，难以得到普及应用。另外，颗粒材料集合体内应力的测量目前还没有比较好的方法。因此，本发明提出了一种基于透明光弹颗粒材料测量饱和颗粒介质内部应力和位移的方法。

发明内容

本发明提出一种基于透明光弹颗粒材料测量饱和颗粒材料内部应力和位移的方法，目的是揭示颗粒材料内部变形的规律和应力场的分布，从而有助于分析颗粒材料在外力作用下的变形机理。

实验应力光弹法，利用透明颗粒介质在受力变形时产生光学各向异性的特点，以偏振光透过模型，由于应力的存在，产生光的暂时双折射现象，再透过分析镜后产生光的干涉，在屏幕上显示出具有明暗条纹的现象；利用同色条纹图像，可得到模型中的应力状态和分布。

本发明的技术方案：

一种基于透明光弹材料测量饱和颗粒介质应力和位移的方法，步骤如下：

步骤一，颗粒介质的配置：采用透明光弹材料颗粒，借助阿贝折射仪测出与透明光弹材料颗粒材料折射系数相匹配的孔隙液体；将透明光弹材料颗粒利用“落砂法”填充到模型箱中，在模型箱底部形成一层，之后利用软管沿模型箱壁从下向上慢慢充满孔隙液体，最终配制成饱和颗粒材料介质，即饱和透明光弹颗粒模型5；

步骤二，采集设备安置：采集设备包括数字相机1、计算机2、分析镜片3、扇面激光光源4、饱和透明光弹颗粒模型5、偏振镜片6和光源7，分析镜片3、饱和透明光弹颗粒模型5、偏振镜片6和光源7同轴，光源7依次通过偏振镜片6、饱和透明光弹颗粒模型5和分析镜片3后，被数字相机1捕捉，数字相机1与计算机2连接；扇面激光光源4位于饱和透明光弹颗粒模型5正下方，用于提供扇形激光光源；

步骤三：在饱和颗粒材料介质表层放置加载板，加载试验机通过加载板将外力施加到透明光弹材料颗粒上；施加荷载前，打开扇面激光光源4，照射饱和透明光弹颗粒模型5，扇面激光和透明光弹材料颗粒介质相互作用产生激光散斑，同时设定好数字相机1的位置、焦距和采集时间间隔；

步骤四，施加荷载：对配制的饱和颗粒材料介质施加荷载，在饱和颗粒材料介质内引起应力和变形以及颗粒的运动；同时启动数字相机1的图像采集功能，连续施加到荷载一定值后停止加载；

步骤五：设置偏振片：正交平面偏振光场中分析镜3(检偏镜)的初始角度β＝45°，α、β分别为偏振镜片6(起偏镜)和分析镜片3与参考轴x夹角，α初始角度为135°，θ为饱和透明光弹颗粒模型5第一主应力σ₁与参考轴x夹角θ＝60°；同步旋转分析镜片3的角度β，得到相应的图片；偏振镜片6的设置如图2；