焦散线方法实验

焦散线方法实验一．实验目的焦散线法为动态断裂力学研究提供了一种有效的实验方法，它不仅具有较高的测量精度，设备简单，更重要的是只要测量一个几何长度——焦散斑直径，就可以确定裂纹尖端的应力强度信息。

通过本实验，可使学生掌握焦散线法的测量原理和相关测试技术。

通过观察反映应力强度信息的焦散斑图，测量焦散斑特征尺寸，进而计算裂纹尖端的应力强度因子。

二．实验内容1．介绍焦散线法基本原理，由焦散斑特征尺寸计算应力强度因子的方法。

2．掌握多火花高速摄影系统光路调节步骤，延时系统、落锤系统的使用方法。

3．对复合材料试件进行冲击实验，拍摄裂纹尖端的焦散斑。

4．掌握冲洗胶片的方法。

5．由拍摄的焦散斑图像计算应力强度因子。

三．焦散线方法原理焦散线可以分为透射式焦散线和反射式焦散线两种。

其中，光线透过测试试件而形成的焦散线为透射式焦散线；光线经试件表面反射形成的焦散线为反射式焦散线。

透射式焦散线方法既需要考虑试件表面的离面位移，又要考虑试件内部由于折射率的变化而引起的光线偏移。

反射式焦散线方法只需要考虑试件表面的离面位移。

但是，反射式焦散线方法的光学系统往往更复杂，其试件也要很平整且有良好的反射性能。

图1-1 I 型裂纹反射焦散线 图1-2 复合型裂纹透射焦散线下面根据几何光学原理，以反射焦散线为例建立变形物体表面上点与反射在像屏上像之间的关系，该关系成为焦散线构成原理的基础。

首先，考察平行于z 轴三维光线照射到因受力变形而凹陷的物体，在试件表面上某点p 经反射在参考平面上得到像P ，如下图：(a)(b)图2 反射焦散线的形成原理写成矢量形式f f w r W += (1) 其中⎪⎭⎪⎬⎫-=+=),(20''y x g r a d f Z w yj xi r f (2)式中，','j i 为像平面上Y X ，方向的单位矢量，r 为p 点在物体不变形的像1P 位置矢量，f w 为该像在考虑物体变形引起的偏离矢量，f(x,y)为p 点由于变形引起的光程差，0Z 为试件到成像平面的间距。

对于厚度为d 的平板平面应力模型，受力变形引起厚度改变形成光程差),(y x f ，根据胡克定律z d y x f ε-=),(2 (3) 将上式和(6)式代入(5)式，得到像点位置与物点位置关系的映射方程z f d ελg r a d r W 0Z += (4)焦散线可理解为试件上某曲线附近无穷多个点映射到像平面某一个点处汇聚形成的一条奇异曲线。

根据衍射理论，焦散线产生的充分必要条件是映射方程的Jacobian 行列式为零：0),(),(=∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂=θθθY rY X r Xr Y X J (5)求解上式可以得到初始曲线方程和焦散线方程，由焦散线方程可以建立焦散斑特征尺寸同应力强度因子之间的关系。

d K 1的计算公式为250251)17.3(322D cd z K eff π= （6）其中，c 为焦散光学常数E n B A c ν)1(2--+=， eff d 为试件的有效厚度。

对于反射情况2,1,0d d n B A eff=-===，d 为试件厚度。

所以2,2d d E c eff ==ν。

四． 反射焦散线法多火花摄影系统光路调节图3 反射焦散线的实验光路（1）建立校准光路①调节激光源支架底座螺丝使其俯仰方向竖直。

②在支架横梁上用胶布固定一激光器，粗调激光器高度使其与4×4光源面板中心等高（为1.22米）；③通过铅锤调节火花发生器底座螺丝，使光源面板处于竖直状态。

④在光源面板中心处放置一小平面镜，使平面镜紧贴面板（即保持竖直），反射回激光束，调节激光器，当反射光照射到激光器光源处时，则激光束水平且垂直于面板。

⑤保持激光器不动，调节支架，使激光照射到光源面板支架中心处。

这样，激光束与4×4光源面板主光轴重合。

注：激光器距离光源面板距离尽量远，以减小调节误差；此后以此激光光路作为校准光路，不能再改变激光器位置。

（2）放置场镜（凸透镜焦距为155mm）①调节前光具座使其与光源面板垂直。

这样保证放在前光具座上的光学器具主轴能同时与光源面板主轴重合。

②在前光具座上放置前凸透镜。

使凸透镜距光源面板距离为155mm，此时，激光汇聚到面板上一点处，调节透镜高度，使汇聚点到达面板中心高度处。

左右调节前光具座（调解中时刻保持光具座与光源面板垂直），直至汇聚点到达光源面板中心处。

此时透镜光轴与4×4光源面板主光轴重合。

③在前光具座上前透镜后放置半反半透镜。

使半反半透镜与激光束成45°(关灯，利用画上直角的纸板，使光线掠过纸面沿直角一边入射，调节镜面方向使反射光在直角另一边上)，调节半反半透镜位置，使反射光照射至相机面板中心处。

④调节后光具座位置使其对准半反半透镜中心且垂直于相机面板。

⑤在后光具座上放置后凸透镜。

使凸透镜距相机面板距离为155mm，此时，激光汇聚到面板上一点处，调节透镜高度，使汇聚点到达面板中心，此时透镜光轴与相机面板中心重合。

⑥通过甸块调节落锤试验机上放置试件的支架的高度，使激光光路（相机主光轴）基本通过试件。

用502胶将各层垫片间粘牢形成固定支架（支架底座与工作台面间保持可自由移动。

注：1、场镜放置完毕后不可触碰以免改变位置。

2、光具座都是固定在桌子上，且与桌子一边垂直。

调节时只需改变桌子位置来改变光具座位置。

（3）相机调焦①关闭激光器。

在光源面板上挂上4×4电灯光源，将前凸透镜向后移动5cm（为保证电灯光源面板处于透镜的焦平面上）。

可看到光源成4×4像点于相机面板上。

②在落锤试验机上放置试件处放置一平面镜，调节平面镜使4×4像点与面板上4×4镜头中心重合。

③如测量材料受压应力集中，在半反半透镜与后凸透镜之间放置透射型分划板；如测量裂纹受拉伸扩展，则在试件后放置反射型分划版。

调节分划版高度与光路主轴等高（在试件后需将反射分划版放置于三脚架上）。

④取出相机的底片盒后盖，保留玻璃板与相机上，持一目镜紧贴相机暗箱背面玻璃板，通过目镜观察分划板（先将目镜对准某一镜头，观察到分划板后，缓慢移动目镜，观察全部分划板）。

⑤如分划板上标记不够清晰，松开暗箱下面的锁紧螺丝，旋转丝杠，调节相机暗箱长度，直至分划板上标记清晰，旋紧螺丝，固定暗箱。

z（受压为经由平面镜的距离；⑥记录从试件处经光路到分划板的距离，此值为受拉为直接距离）。

⑦将前凸透镜向前移动5cm，恢复原位置。

（4）实验前调节每次实验前，在落锤试验机上放置试件，须在光源面板上挂上4×4电灯光源，调整试件位置直至光源成的4×4像点与面板上4×4镜头中心重合。

此时固定试件，取下4×4电灯光源，开始实验。

五．反射型多火花高速摄影系统中各仪器的使用（1）动态冲击机此设备为中科院长春科仪定制产品，其设计要求便是更好的测量动态冲击试验，其具体操作步骤如下：①插上试验机电源，接通。

打开电源开关。

②将电磁铁控制钮置于“释放”状态，即将绿键释放一端按下。

转动钥匙，使电磁铁装置上升约20cm。

并根据需要装上适当重量的锤头。

③安装并调整试件的位置。

注意：不要将手放入落锤头下方，以免被砸伤！④抬起锤头靠近电磁铁，并将电磁铁控制钮置于“吸合”状态。

再转动钥匙，使电磁铁装置及锤头上升到所需的高度。

⑤上述准备工作完毕后，开始试验。

将绿键按下，释放电磁铁，锤头落下冲击被测试样。

⑥试验做完后，关闭所有的电源开关。

注意：试验过程中的安全性。

（2）压电传感器本次试验所使用的是5114型力传感器及3114型电荷放大器。

测量范围为60KN，力传感器装在冲击头上，并与电荷放大器相连，放大器调节步骤如下：①检查力传感器、电源连线的正确性，打开电源。

②调节电荷灵敏度设置与力传感器相同。

③调节增益控制为1，使1N输出1mV。

（3）数字示波器本次试验所使用的示波器为RIGOL生产的DS-3000B数字存储示波器。

我们试验所采集的信号来自于两个信号源。

一个是冲击头下的力传感器，另一个是试验瞬间侦测捕捉电火花放电的光电转换装置。

试验中通过调节触发信源使示波器通过力传感器触发。

但应注意调节触发电压的大小，如果触发电压太小，示波器无法完成单次触发（即可能在还没有冲击载荷的时候就触发了），如果触发电压太大，示波器将无法触发。

最后我们还应注意的是示波器X-Y坐标单位的大小，不能使示波器在测试过程中超出显示范围（这样将无法显示全部图形），当然也不能缩得太小，这样放大后会有失真。

在具体实验中，我们可以在第一次调好并记录后，以后每次测量时调出以前的测试结果，按RUN键即可。

具体操作步骤如下：①接通电源，打开电源开关。

②将两信号源分别接在CH1、CH2通道上。

③将水平控制和垂直控制分别调到适当大小及位置。

④调节触发选项，设置“信源选择”为CH1，设置“触发方式”为单次，其余使用默认设置。

⑤转动“LEVEL”旋钮调节触发电压高低。

⑥按动RUN键，此时设备便处于等待状态。

注意：每次实验前烤机20分钟。

（4）延迟控制器。