现代固体实验技术实验5光弹性实验

实验报告

一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理

六、实验结果与分析（必填）

七、讨论、心得

一、实验目的和要求（必填）

1、了解光弹仪的构造并掌握其基本的使用方法；

2、观察人工双折射材料制作的受力模型在特定偏振光场中的光学效应；

3、掌握绘制和识别等色线（等差线）、等倾线的方法，观察各种特征点的表现形式；

4、掌握材料条纹值f 的测量方法；

5、掌握光弹性方法判断压力分布规律的基本原理；

6、掌握应力集中系数计算、应力强度因子计算的试验方法；

7、掌握剪应力差法计算任一界面的应力分量的方法。 二、实验内容和原理（必填）

光弹性应力分析曾经是复杂结构应力分析的重要方法。在有限元方法高度发展的背景下，光弹性方法测试应力分布的手段已经逐渐淡化，但是对于研究应力分布规律还是具有独特的魅力。其特点为：可以直接测量应力的大小和方向；可显示全场应力分布，进行全场分析可测内部应力及其3向应力场。

在偏振光场中，各向同性的光弹性模型在载荷作用下会产生暂时双折射效应，其主折射率和主应力有关，主折射率又可由相应的光程差来确定，因此可用光程差来确定主应力。一束自然光通过起偏镜后，会产生平面偏振光。它垂直透射一个受载荷的平面模型时，沿着模型的一点的两个主应力

和

的方向分

解成两束速度不同的平面偏振光，它们通过模型后，产生一个相对光程差⊿。实验表明，模型的主应力和与光程差⊿之间的关系如下：即。（式中为等差线（又称等

色线）条纹级数；为光弹性材料条纹值；δ为光弹性模型的厚度；λ为光源的波长；

为

应力光学常数。）

根据光弹理论，在正交圆偏振光场暗场下得到整数级的等差条纹，在平行圆偏振光场明场下得到半数级等差条纹图。正交圆偏振光场下采用白光光源，可得到彩色条纹并确定条纹级数，黄—红—蓝—绿指示着光程差即主应力差增加的方向，并以红蓝间的绀色作为整数条纹位置。但因高级次彩色条纹不够清晰，故在描绘等差线图时可实用单色光源如钠光以提高测量精度。

而在平面偏振光场下，模型中凡主应力方向与偏振镜轴重合的点都将消光干涉形成黑条纹即等倾线，换句话说，同一条等倾线上个点的主应力方向相同。俩偏振轴垂直、水平正交时对应0o （90o ）等倾线，

专业： 日期： 地点： 课程名称： 现代固体实验技术

指导老师：

成绩：

实验名称：

实验五梁截面应力光弹测量

同组学生姓名学号： 令狐烈

此时线上个点主应力方向为0o（90o）方向。如同步逆时针旋转偏振镜轴10 o，...即可得到相应10o（80o）...等倾线，或者主方向与基线夹角为10o（80o）...的点。

三、主要仪器设备（必填）

1、简易光弹性仪，偏振片；

图1.平行光式光弹性仪光路图

1—光源2、6—透镜3—起偏镜4—模型5—检偏镜

7—光屏8、9—四分之一波片

2、光弹试样：

圆盘直径D=32mm。梁宽L=95 mm，高H=70 mm，框宽B=11 mm，倒角R=0.6 mm。加载力臂1:10

3、液晶显示器；

4、数码相机等图像记录设备。

四、操作方法和实验步骤

1、显示器调节为纯白底色或者单色，将模型放置于LCD显示器前，加合适载荷，利用加装偏振片

的数码相机转动合适角度观察其变化，并拍摄相应的条纹图。

2、观察光弹仪各部分构造，了解其名称和作用。

3、平面偏振光场

（1）仅保留P，A，打开白光光源；

（2）单独旋转检偏镜，观察光场光强变化，并仔细调整直至得到暗场；

（3）安装试样并适当加载，观察等倾线和等差线的形成。保持光场为正交平面偏振光场。

4、调节相机得到大小合适的清晰图像，此时为0o等倾线。往光源方向看同步逆时针旋转PA，分别

拍摄各角度等倾线。

5、圆偏振光场

（1）在上面正交线偏光场下，加入Q1和Q2，且P和Q1夹角45，Q1和Q2正交，形成正交圆偏光暗场，此时等倾线消除。

（2）对模型逐级加载，直至出现4-5级条纹，观察等差线形成过程并分析特点，识别级次。

（3）单独旋转A 使成平行圆偏振光场明场，观察条纹变化。 （4）更换为单色光源，比较两种等差线的性态。

6、拍摄整数级和半数级条纹，并用白光彩色条纹识别，标注级次。

7、对径受压圆盘测量：

8、用有限元建立二维模型（圆盘/梁界面）并计算，输出主应力差等值云纹图，并与光弹结果对比。

五、实验数据记录和处理

1、平面偏振光白光暗场下得到的各角度等倾线图像如下：

2、圆偏振光场

（1）白光暗场下在不同加载情况得到的等差线图像并标注级次如下：

（2）白光明场下在不同加载情况得到的等差线图像并标注级次如下：

]

/[80mm N D

N F f π=

（3）单色光暗场下在不同加载情况得到的等差线图像并标注级次如下：

（4）单色光明场下在不同加载情况得到的等差线图像并标注级次如下：

3、光弹材料条纹值f 的计算

由单色光暗场和明场的等差线图像得出在等量加载过程中平均条纹级数变化为：

2/3N ∆=

将加载的等增量△P=4.903N ，圆盘直径D=32mm ，△N=2/3带入计算公式可得：

=0.586/88*4.903

*32*2/3N mm

P f D N ππ≈∆=

∆

4、特殊点的识别

发源点

奇点