密栅云纹法
实验力学研究方法
密栅云纹法是一种实验力学研究方法。它是利用两组互相重叠的栅线之间的光学几何干涉现象,产生明暗相间的云纹,来测量各种不同的物理量。其主要优点有:它可以直接获得全面积的位移场应变场的分布图;能测量局部区域的应力集中;它既可用于模型实验也可在某些实物上进行测量;具有较广的量测范围,即从弹性变形到塑性变形,从静载到动载,从常温到高温。
密栅云纹法原理
将两块印有密集平行线条(称栅线)的透明板(通称密栅)重叠起来,对着亮的背景看去,就会有明暗相问的条纹出现,该条纹称为“云纹”。
密栅云纹法是将一组栅线刻制或粘贴在试件的表面上,称为“试件栅”,再重叠一块不变形的栅板,此栅板称为“基准栅”’。当试件栅随试件变形时,其栅线的间距(称节距P)和方向发生变化,由光的几何干涉而产生的云纹也随之变化。云纹的分布与试件的变形情况有着定量的几何关系,从而可推算出试件各点的应变值。
国外称此方法为莫尔(Moire)法。该字有丝绸波纹之意。
密栅云纹法与电测法类似,能算出各点的应变值,只是贴片面积大,计算点数多,求出的是应变场。云纹的图形又与光弹实验相似,但它们的原理和方法不同,前者对模型材料没有光学性能要求,它也能在金属材料、有机玻璃、橡皮、塑料、木材、水泥等模型上贴片测量。
下面介绍三种最基本的云纹图。图a称“平行云纹”,其特点是云纹与栅线平行,它是节距不等、栅线相互平行的两栅板重叠而形成的云纹。每隔f距离,上、下栅板就相差一根栅线,出现一条亮云纹。图b称“转角云纹”,是节距相等的两映栅板,相对转动角度θ后形成的云纹。其特点是云纹基本上垂直于栅线,云纹之间的距离s随转角θ而变。图c是两栅板的节距不等、又相对转一角度后而形成的云纹。该云纹既不平行也不垂直于栅线,而是倾斜一个角度。通常实验中所得的云纹图一般是第三种情况,即试件栅节距发生变化,同时也转了角度。
平行云纹与应变的关系
平行云纹的定义
试件变形前,使基准栅与试件栅的线条保持平行,加载、变形后,所得云纹图像称“平行云纹”。如图是均匀变形,它仅是平行云纹中的一个特例。在非均匀变形时,试件栅线发生转动或弯曲,云纹将不是都平行于栅线,但这种云纹图形统称为“平行云纹”。
平行云纹的形成
为了说明平行云纹形成的原理,可用光强的变化来解释,图a是两组节距相等的栅版,相互平行重叠,同时将两栅版的黑线条对齐,光线由白线条透过,因为有黑栅线的遮挡,每节距的平均光强由a减弱为b。图b是两组栅版节距不等(设试件栅受拉伸),由于栅线对光线的机械遮挡,形成云纹图形周期性的光强变化,云纹的黑带是因为一块栅版的黑线条落在另一块栅版的白线条上,把光线挡住而形成,该处光强最弱如图c处。云纹的亮带,则是一块栅版的白线条落在另一块栅版的白线条上,光线从白线透过,形成云纹的亮带,此处光强如图的6处。光强曲线近似于正弦曲线。
设两栅版节距不同,一块节距为P,另一块节距稍大,为 ,则按照上述遮挡的原理,每根栅线都错位ΔP距离,经过九根栅线后,必然会有一根黑线正好落在另一块栅的黑线上,列成公式为:
上式说明两组节距不等时,每经过n根栅线,必有一处两栅白线重叠,形成亮带的中心,而在 根栅线处,必有一概版的黑线正好落在另一栅版的白线上,形成暗带的中心,如此周而复始,形成明暗相问的云纹条纹,相邻两云纹间,差一根栅线p,而在其中间则是一个过渡过程,类似游标尺的原理。用于实际测量的栅线是很细密的,如每毫米12根线至50根线,肉眼无法分辨,只有两组栅重叠,对着亮的背景,才能看到云纹。
平行云纹与栅线的关系
为了进一步了解平行云纹由于光的机械干涉产生的云纹效应,把细密的栅线放大,并用标号来研究它与云纹的关系。如图把试件栅栅线的曲线族用 表示,基准栅栅线的曲线族用 表示。其中x、y为任意点的坐标。l、k为栅线的标号,l=0,±1,±2,……,k=0,±1,±2,……。
栅线的标号与云纹的标号有一定的关系,以标号方程表示为:
式中m为云纹的标号或称云纹条纹的级数。图中试件栅(斜线部分),基准栅(黑粗线),两栅线平行重叠,试件栅均匀拉伸形成的平行云纹,试件栅栅线编号1和12,基准栅栅线编号为1和13,就是云纹亮带的中心,相邻两云纹间距f中,试件栅比基准栅少一根栅线,云纹的标号方程为
平行云纹与应变的关系式
按上图云纹形成的原理,可知试件在变形后,在云纹间距f范围内有n±1根栅线,而基准栅是n根栅线,也就是说试件栅在f距离中相对基准栅伸长或压缩了一个节距p'。故f范围内的应变平均值为:
又因为两根栅线间的变形是 ,设f范围内的变形是均匀的则ε=εp。代入上式后得:
实践中p与f相比是很小值,即 故上式分母中p可忽略,得平行云纹的应变公式:
转角云纹与应变的关系
在试件变形前,将基准栅转一小角度与试件栅重叠,所得云纹图像称转角云纹。当基准栅节距和变形前试件栅节距相等时,云纹基本上垂直于栅线,如图所示。在变形后若是均匀场,云纹呈倾斜状,若是非均匀场,则出现云纹倾斜、弯曲、疏密不等的现象,但与栅线仍有很大的倾角,这些图像统称为转角云纹。
两组节距相等的栅线斜交一小角度θ时,一块栅板的黑线穿过另一栅板的白线,光线受挡,形成云纹的黑带,而在黑线穿过另一栅板黑线的地方,由于白线不受遮挡透过光线,形成云纹的亮带,即在透光多和透光少的地方形成明暗相间的云纹。
如下图所示。两条平行线AB和OC是变形前的试件栅上两条相邻的栅线,设它的节距等于P0。AA'和OD是基准栅上两条相邻的栅线,设它的节距为p,A'B'和OC是变形后试件栅的栅线,其节距为p'。OA是变形前云纹亮带的中心线;OA’是变形后云纹亮带的中心线;θ为基准栅线与变形晤试件栅之间的夹角,φ为基准栅线与云纹的夹角。测量时规定基准栅相对试件栅作逆时针转动时θ角为正,顺时针为负。对φ角的规定也相同。在均匀拉伸时,设试件栅变形后每相邻两条栅线仍保持平行。
在△OA'C中,
在△OA'D中,
连立上两式消去OA'有, ,将此式带入(1)式中得转角云纹应变公式:
转角云纹与平行云纹应变公式的相互关系
转角云纹的应变公式,在θ角很小的情况下,可以转换成平行云纹的应变公式。
将转角云纹的应变公式转化如下:
因θ角很小,故计算中可作如下简化
式中,L-垂直于基准栅栅线方向的云纹间距;
S-平行于基准栅栅线方向的云纹间距。
将简化结果代回(1)式中,得
上面公式说明,云纹法求正应变可按平行云纹的公式也可按转角云纹的公式计算,两者互相通用,结果基本相等。
实际应用中应注意,θ角要小,因为θ角愈大引进的误差愈大;两种计算ε的方法虽可通用,但从测量精度和方便性出发,应区别情况合理选择。应变量大时,宜用平行云纹;应变量小时,则应变场中平行云纹过稀,测点过少,宜用转角云纹。
应变符号的确定
对于平行云纹,可以从p与p0的比值和加载后f的增加或减小来判断,若p与p0相差越多,则f就越小,云纹越密,应变愈大。若受载前p>p0,受载后,若是压应变(即ε
转角云纹的应变计算公式可以判断θ的正负。规定角度按逆时针转为正,顺时针转为负;应变ε则正号为拉应变,负号为压应变。
以上分析仅是采用几何方法来测定和计算云纹所对应的正应变。但实际应变过程,特别是动态应变过程,绝大多数是非均匀的,云纹要发生倾斜、弯曲和疏密不等多种情况,判断云纹的转角和间距都相当困难,另外云纹的初始虚应变不可避免地受到各种因素的影响,因此,单靠几何法计算应变,偏差转大,多采用位移场方法来测定应变。
参考资料
最新修订时间:2022-08-25 14:48
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密栅云纹法原理
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