光弹性观察试验

光弹性测试方法实验

一．实验目的

1. 了解光弹性仪器各部分名称和作用，掌握光弹性仪器的使用方法；

2. 观察光弹性模型受力后在偏振光场中的光学效应，加深对典型模型受力后全场应

力分布情况的了解：

3. 观察等差线和等倾线，学会判别等差线和等倾线。

二．实验设备和模型

1．PJ20型光弹性仪；

2．光弹性模型梁、圆环、圆盘、有孔拉伸板试件

三．实验原理和方法

光弹性仪由光源（包括白光和单色光）、一对偏振镜、一对四分之一波片以及透镜等构成，见下图。

PJ20型光弹性仪除偏振

偏、四分之一波片以及透镜外，

还有给模型加载荷的加力架，

见右图。

光弹性实验，最基本的是

布置平面偏振光场，该光场是

由光源和一对偏振镜组成，靠

近光源的为起偏镜，另一片为

检偏镜。当两偏振镜轴成正交

时形成暗场，平行时为亮场。

通常暗场时，调整起偏镜轴于

垂直方向，检偏镜轴为水平方向。

在正交平面偏振光场中，由暂时双折射材料制成的模型受力后，使入射到模型的平面偏振光分解为沿各点主应力方向振动的两列平面偏振光，且其传播速度不同，通过模型后，产生光程差Δ，此光程差与模型厚度h 及主应力差（σ1 - σ2）成正比

()21σσ-=∆Ch （1）

式中C 为应力光学系数，此式即为平面应力-光学定律，当光程差 Δ为光波波长 λ 的整数倍时，即 Δ=N λ （N=0，1，2 …） （2）

产生消光干涉，呈现暗点，同时满足光程差为同一整数倍波长的诸点形成黑色条纹，称为等差线。由（1）、（2）两式可得

h

Nf =-21σσ （3） 式中f=λ/C 称为模型材料条纹值。由此可知，等差线上各点主应力差相同，对应于不同的N 值则有0级、1级、2级 …… 等差线。

在模型内凡主应力方向与偏振镜轴重合的点，亦形成一条黑色干涉条纹，称为等倾线。由等倾线可以确定各点的主应力方向。当两偏振轴分别为垂直和水平放置时，对应的为零度等倾线。此时若再将偏振镜轴同步反时针方向旋转100，200… 就得到100，200

… 的等倾线，其上各点主应力方向与垂直或水平线成100，200… 夹角。

等差线和等倾线是光弹性实验提供的两个重要的资料，据此可以根据模型的受力特点计算应力。

为了消除等倾线以获得清晰的等差线图，在两偏振镜之间加入一对四分之一波片，以形成正交圆偏振光场，各镜片光轴的相对位置如图2所示。一般观测等差线时，首先采用白光光源，此时等差线为彩色，故又叫等色线。当N =0时呈黑色，其等差级数为零级，其余等差线级数可根据零级依次确定，非零级条纹均为彩色。色序按黄、红、绿次序，指示着主应力差（σ1 - σ2）的增加，并以红绿之间的深紫色交线为整数级条纹，观察时若采用单色光源如钠光，可提高测量精度。 四．实验步骤

1．观看光弹仪各部分，了解其名称和作用。

2．开启白光光源，检查两片四分之一波片的位置，若不在零度方位，则分别拔起两片四分之一波片的销子，将波片转至零度方位再放下销子，此时为平面偏振光场。单独旋转检偏镜，反复观察平面偏振光场的光强变化情况，正确布置出正交平面偏振光场。

3．将圆盘模型置于载荷架上，预载0.5Kg （或1Kg ）砝码，使模型受压，此时，圆盘中心黑色等倾线应为正交十字线。

4．同步旋转两偏振镜轴，观察等倾线的变化及特点，尤其要注意圆盘边界处等倾线角度值

5．调整光路为正交圆偏振光场（将两片四分之一波片分别向左、向右旋转450），此时等倾线消除，逐级加载，观察等差线图案的变化情况，直至出现4~5级条纹为止。

6．调整光路为平行圆偏振光场（在正交圆偏振光场中，单独将检偏镜轴旋转900，使检偏

镜轴与起偏镜轴平行），观察等差线图案变化情况（此时观察到的是半数级等差线条纹图案）。

7．换用单色光源（钠光），重复5、6两步骤观察内容。

8．取下圆盘模型，换上弯曲梁模型，加载成四点弯曲（纯弯曲）和三点弯曲两种情况，重复5、6、7三步骤，观察等差线图案特点及变化情况。

9．依次再换圆环模型和有孔拉伸板试件，重复5、6、7三步骤，观察等差线图案特点及变化情况。

10．关闭光源，卸载后，取下模型，清理仪器。

五．实验报告

1．简述仪器调整过程，绘出正交平面偏振光场以及圆偏振光场布置简图。

2．简述不同偏振光场和不同光源下，观察到的模型中等差线条纹图案的特点。

3．记录（或拍摄）不同模型的受力条纹图，并简述条纹图的特点。

六．思考题

1．如何区分等差线和等倾线？

2．对径受压圆盘外圆边界处，等倾线角度有何特点？说明什么问题？

3．弯曲梁四个角点处（自由方角）等差线图案有何特点？表明该点处于何种应力状态？4．纯弯曲梁和三点横力弯曲梁等差线图案有何区别？原因何在？

七．注意事项

1．光弹仪镜片部分切勿用手去摸。

2．加载时，切勿使模型弹出，以免损坏光学元件。