[发明专利]一种应力测量方法及应力测量光路装置

说明书

本发明公开了一种应力测量方法，包括以下步骤：(1)设置由单一光弹材料制成的试样主体及其镀层结构；(2)对应力测量光路装置进行布置；(3)启动光源；通过设置的布置光路，使散斑涂层经多次折射后与反射光弹图纹同轴入射图像采集单元；(4)启动图像采集设备，获取试样两侧同一瞬时的散斑图像和光弹图像；(5)联合求解光弹实验和数字图像相关实验结果，得到图像任意像素点的应力分量。本发明还公开了实施该方法的应力测量光路装置。本发明通过在试样两侧同时进行光弹方法和数字图像相关方法获取试样全场的应力差和应变值，其可以用于载荷不对称的试样，使测量的适用性大大增强。

技术领域

本发明涉及应力测量技术领域，特别涉及一种光弹法和数字图像相关法并行的应力测量方法及应力测量光路装置。

背景技术

光弹应力分离方法包括数值法、实验方法和混合法等三大类，数值法主要是剪应力差及基于LAME-MAXWELL方程的应力分离法、解补偿方程法；实验方法有：钻孔法、斜射法、条带法和条纹涂层法及划线法；混合法主要是基于求等和线法的各类方法与及光弹-红外热成像法和近期出现的光弹-数字图像相关法。剪应力差法的初始应力计算值由自由边界开始，通过数值计算模型中个点的应力值，如果初始值取值与实际值存在较大的误差，例如模型边界如果经过机械加工常常存在残余应力，并且等倾角的计算常常存在一定的误差，则应力分离误差经过计算不断累积、增大，可能对最终的计算结果的精确度有较大影响。基于LAME-MAXWELL方程的应力分离法的缺点在于计算的前提是应力迹线必须正确，否则错误判断的应力迹线会极大影响应力分离的计算结果。解补偿方程法实际上属于实验-数值混合方法，除了简单边界条件的问题，大部分的应用情况下需要通过有限差分或者有限元分析的办法来进行数值计算求解拉普拉斯方程，此法的问题在于，复杂的试样或者受复杂力试样的边界条件常常是很难获取的。

实验方法中的钻孔方法通过在光弹试样中钻孔，引入一个人为的自由边界，由于自由边界在二维问题中即为单向应力状态，因此可以直接由引入孔后的光弹条纹级数判断边界的应力大小。而钻孔法的最大缺点在于此方法需要大量的时间对测量点进行逐点的应力计算。斜射法中偏振光与光弹试样的表面成一定角度入射模型，由正常入射光得到的光弹等差线级数与斜射入射光得到的光弹等差线条纹级数，可以计算出每点的主应力值。斜射法的主要问题在于实际操作的精度有限，对于试样边缘受模型的折射影响及边缘效应经过光学放大的影响，实际的应力分离效果不太理想。条带涂层方法采用的光弹涂层由多条平行的条纹相互紧靠着附着于模型表面，由于各条条纹互相之间只是接触，条纹涂层的厚度较薄而不足以传递横向应力，因此条纹只对纵向的应力产生光弹效应，而对横向的应变几乎不产生光弹效应；通过对模型进行两次实验，一次在模型的表面附着连续的光弹涂层，通过常规的反射光弹法获取光弹图纹，另一次实验则在模型表面附着光弹条纹涂层，获取只有沿着条纹纵向方向应力的光弹图纹。通过对两次获得的图纹进行条纹的对比分析，可以获取整个模型的应力状态，因此该方法是属于对全场应力进行分离的方法。条带法的缺点在于条纹的宽度受到加工水平的限制，另外条带虽然是紧密互相靠近的，但是微观上是存在间隙的，近似于沿着加工方向存在较大的表面粗糙度，因此对精密的零件实际上也难以应用。应变计方法通常应用于较大尺寸的零件中的某点主应力的分离。应变计方法是将应变计直接固定在需要进行应力分离的点上，从而直接获得该点的主应变和，与通过光弹性方法获得的应变差组成方程组，即可以进行应力的分离。这种方法只能逐点地对模型进行测量，因此在目前主流应力分析着重于全场应力分离的研究环境下，并不是理想的应力分离方法。划线分离法是在反射光弹法所使用的光弹涂层中，沿着某一主应力方向，通过划线的方式，在光弹涂层中创造一种单向的应力状态，由于需要通过在涂层中划线，通常是通过人工方式利用特制的尖锐工具进行操作，对模型有局部的破坏，对于精密的模型边界，也难以进行操作。通过测量模型的厚度改变(侧向的应变)可以提供多一组方程用于主应力的分离。通过采用应变片、测微仪或者光学测量方法等测量手段，可以测量模型受载后的侧向应变，但是这些测量方法都是逐点测量，就目前来说，若要对模型进行全场的应变测量，最常用的仍是采用光学干涉法，这些方法虽然能对光弹实验结果进行主应力的分离计算，但是均要求模型具有极高的表面光洁度，而这恰恰是常用的光弹材料制成的模型很难达到的，因为光弹实验模型通常采用成品板进行机械加工，或者用环氧树脂进行浇注成型，除非经过专门的抛光处理，这两种方式都很难获得光学级别的表面光洁度。