（机械设计及理论专业论文）光学级制品的动态内应力可视化实验研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t q 3 2学科分类号 4 6 0 2 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 6 1 8 密级公开 学位授予单位代 1 0 0 1 0 学位授予单位名 码 称 北京化工大学 作者姓名 杜彬学号 2 0 0 8 0 0 0 6 1 8 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 高分子材料成型加工 课题来源自选研究方向 c a d c a e c a m 论文题目光学级制品的动态内应力可视化实验研究 注射成型技术，c a e 光弹性，流动残余应力，动态内应力可视化， 关键词成型缺陷 论文答辩日期2 0 1 1 年5 月日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师谢鹏程副教授北京化工大学聚合物成型加工 评阅人l杨卫民教授北京化工大学聚合物成型加工 评阅人2何雪涛副教授北京化工大学聚合物成型加工 高级工程 椭员糊 赵月云 北京化工研究院聚合物成型加工 师 答辩委员i杨卫民教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员2张亚军教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员3关昌峰教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员4张有忱教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员5冯连勋教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员6罗兵副教授北京化工大学 聚合物成型加工 答辩委员7马秀清副教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员8丁玉梅副教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员9 何雪涛 副教授 北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员1 0张冰 副教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员1 1董力群副教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员1 2 党开放 讲师北京化工大学聚合物成型加工 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 i l 摘要 光学级制品的动态内应力可视化实验研究 摘要 随着航空航天，生物医学等高新技术的发展，精密注射成型技术的应用 领域越来越广泛，这也对精密注射成型技术提出来越来越高的要求。残余应 力是注射成型技术中一种常见的成型缺陷，它不但影响着制品的外观质量， 而且还严重地影响着制品的光、电、力学性能。注射成型过程中，制品的残 余应力主要包括热残余应力和流动残余应力。由于热残余应力比流动残余应 力大一个数量级，目前学术界和一些模拟软件通常忽略制品的流动残余应力 或是简单地附加一个修正系数。但是对于光学级制品来说，流动残余应力严 重地影响着制品的透光性能，尤其是一些精密的光学透镜镜片。 本文从光弹性原理出发，结合动态透射光式可视化技术，开发出了一套 光学级制品的动态内应力可视化实验系统，并使用该系统对矩形型腔中流动 残余应力的形成机理，分布规律进行系统研究。通过对比不同工艺参数和模 具结构下制品双折射条纹的区别，并结合偏光显微镜对制品流动残余内应力 的计算和m o l d e x 3 d 软件对不同型腔结构在不同模具温度下，高分子熔体流 动充填的剪切应力、温度场、压力场进行模拟，总结出注射温度、保压压力、 模具结构和温度对流动残余应力的影响规律。对光学级制品的注射成型，提 出指导性工艺准则。 通过精密注射成型可视化实验系统，直观地研究了三种典型矩形型腔内 高温熔体在型腔中的流动行为，研究得到矩形型腔内制品熔接痕和喷射缺陷 形成机理。通过分析模具结构设计、成型工艺参数与熔体宏观流动行为及制 北京化t 大学 品宏观缺陷之间的内在联系，提出了解决熔接痕和喷射缺陷的具体措施。 关键词：注射成型技术，c a e 光弹性，流动残余应力，动态内应力可视化， 成型缺陷 i l d y n a m i cv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n t a ls t u d yo f l n t e r n a ls t r e s so nt heo p t i c a lp r o d u c t s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa e r o s p a c e ，b i o m e d i c a la n do t h e r h i g h t e c h ， p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g ya l eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l yw i d e s p r e a d ，i t a l s om a d ea h i g h e rr e q u i r e m e n t s t o p r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g y r e s i d u a ls t r e s si s ac o m m o nm o l d i n gd e f e c ti ni n j e c t i o nm o l d i n g t e c h n o l o g y i tn o to n l ya f f e c t st h ea p p e a r a n c eo fq u a l i t yp r o d u c t s ，b u ta l s o s e r i o u s l ya f f e c t st h ep r o d u c t so p t i c a l ，e l e c t r i c a l ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i nt h e i n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s ，r e s i d u a ls t r e s si n c l u d st h e r m a lr e s i d u a ls t r e s sa n df l o w r e s i d u a ls t r e s s b e c a u s et h et h e r m a lr e s i d u a ls t r e s si sm u c h l a r g e rt h a nt h ef l o w r e s i d u a ls t r e s s ，t h ef l o wr e s i d u a ls t r e s si su s u a l l yi g n o r e di na c a d e m i cr e s e a r c h ，o r u s e daf i x e dp a r a m e t e r s b u tt oo p t i c a lp r o d u c t s ，t h ef l o wr e s i d u a ls t r e s ss e r i o u s l y a f f e c t sl i g h tt r a n s m i s s i o n e s p e c i a l l yt os o m es o p h i s t i c a t e dl e n sa n dg l a s sl e n s ， t h ef l o wr e s i d u a ls t r e s sb e c a m eal e t h a lt h r e a t i nt h i sp a p e r , w i t ht h eh e l po ft h e p h o t o e l a s t i ca n dl i g h tt r a n s m i s s i o nv i s u a l i z a t i o nd e v i c e ，w ed e v e l o p e dad y n a m i c i n t e r n a lr e s i d u a ls t r e s sv i s u a l i z a t i o ns y s t e m a n db yu s i n gt h i ss y s t e m ，w ef o u n d 1 1 1 北京化工人学 t h ed i s t r i b u t i o na n df o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ef l o wr e s i d u a l s t r e s s b y c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c e b e t w e e nb i r e f f i n g e n c es t r i p e si nd i f f e r e n tp r o c e s s p a r a m e t e r sa n dm o l ds t r u c t u r ep r o d u c t s ，a n du s i n gp o l a r i z i n gm i c r o s c o p et o c a l c u l a t et h ef l o wr e s i d u a ls t r e s sa n du s i n gt h es o f t w a r eo fm o l d e x 3 dt os i m u l a t e t h es h e a rr a t e ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，p r e s s u r ef i e l do ft h em e l t ，w ec o n c l u d et h a tt h e i n je c t i o np r e s s u r e ，p a c k i n gp r e s s u r em o l ds t r u c t u r eo nt h ef l o wr e s i d u a l s t r e s s i m p a c tt h ef l o wr e s i d u a ls t r e s so f t h ep r o d u c t s t h ep r o c e s sg u i d e l i n e si sp r o v i d e d f o r t h eo p t i c a l - g r a d ep r o d u c t si ni n je c t i o nm o l d i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r , w i t hp r e c i s i o ni n j e c t i o nm o l d i n gs y s t e m so fv i s u a l i z a t i o n e x p e r i m e n t s ，w es t u d yh i g h t e m p e r a t u r em e l t f l o w b e h a v i o ri nt h r e et y p i c a l r e c t a n g u l a rc a v i t i e sa n dg e tf o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ew e l dl i n ea n dj e r i n g p h e n o m e n o n b ya n a l y z i n gc o n n e c t i o nb e t w e e nm o l dd e s i g np a r a m e t e r sa n d f l o w b e h a v i o r ，w eo b t a i n e dt h em e a n s t os o l v et h ew e l dl i n ea n d je t t i n gp h e n o m e n o n k e y w o r d s ：i n j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y ，c a e ， s t r e s s ，d y n a m i cs t r e s sv i s u a l i z a t i o n ，m o l d i n gd e f e c t s i v 1 3 2 可视化技术原理1 1 1 4 研究目的和意义及主要工作一12 第二章注射成型中的典型缺陷及其成型机理1 5 2 1 注射成型制品的常见缺陷15 2 2 注射制品的成性缺陷形成原因1 6 2 3 残余应力的形成机理及其检测方法16 2 3 1 残余应力得到形成机理16 2 3 2 残余应力的常用检测方法1 7 2 4 矩形型腔常见缺陷的实验研究18 2 4 1 实验部分一18 2 4 2 结果讨论2 2 2 4 3 卅、l ；2 3 第三章光学级制品的动态内应力可视化研究2 4 3 1 动态内应力可视化实验原理2 4 3 2 动态内应力可视化模具2 4 3 3 实验设备及材料2 6 3 4 光学级制品的动态内应力可视化实验及结果分析2 7 3 4 1 实验结果分析及讨论2 7 3 4 2 对比实验结果分析及讨论3 3 3 5 本章小结4 1 第四章成型过程c a e 模拟4 3 4 1 不同浇口结构对比模拟4 3 目录 4 1 1 压力分布对比4 4 4 1 2 温度分布对比4 4 4 1 3 剪切应力分布对比4 5 4 2 点浇口型腔对比模拟4 5 4 2 1 压力分布对比4 5 4 2 2 温度分布对比4 6 4 2 3 剪切应力分布对比一4 6 4 3 扇形浇口型腔对比模拟4 7 4 3 1 压力分布对比4 7 4 3 2 温度分布对比4 7 4 3 3 剪切应力分布对比4 8 4 4 本章小结4 8 第五章成型工艺优化4 9 5 1 成型温度优化一4 9 5 2 成型保压压力优化4 9 5 3 模具结构优化4 9 北京化工大学硕士学位论文 co n t e n t s c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i n t r o d u c t i o no f i n j e c t i o nm o l d i n g 1 1 1 1h i s t o r yo fi i l j e c t i o nm o l d i n gt e c h n o l o g y 。1 1 1 2t h eb a s i cc o m p o s i t i o no fi n j e c t i o nm a c h i n e 2 1 1 ：；c 6 l eo fi n j e c t i o nm o l d i n g 3 1 2t h ed e v e l o p m e n ta n ds t a t u so f p h o t o e l a s t i c 5 1 2 1p r i n c i p l eo f p h o t o e l a s t i ce x p e r i m e n t 5 1 2 2p h o t o e l a s t i c i t yc a t e g o r y 7 1 2 3a p p l i c a t i o no f p h o t o e l a s t i c i t y 7 1 3 s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fi n i e c t i o nm o l d i n g 。8 1 3 1t h e h i s t o r yo fi n j e c t i o nm o l d i n gv i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 8 1 3 2p r i n c i p l eo f v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 11 1 4t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c e 13 c h a p t e r 2t y p i c a ld e f e c t si ni n j e c t i o nm o l d i n ga n df o r m i n gm e c h a n i s m 15 2 1t y p i c a ld e f e c t si ni n j e c t i o nm o l d i n g 15 2 2t h ec a u s e so fd e f e c t s 16 2 3t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f r e s i d u a ls t r e s sa n dd e t e c t i o nm e t h o d s 。16 2 ：；1t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f r e s i d u a ls t r e s s 1 6 2 3 2t h ec o m m o nd e t e c t i o no f r e s i d u a ls t r e s s 17 2 4t h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f c o m m o nd e f e c t si nr e c t a n g u l a rc a v i t y 1 9 2 4 1e x p e r i m e n t a l 19 2 4 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 2 3 2 4 3c h a p t e rb r i e fs u m m a r y 2 4 c h a p t e r3v i s u a l i z a t i o no fi n t e r n a ls t r e s s 2 5 ：；1t h ep r i n c i p l e s 2 5 3 2e x p e r i m e n t a lm o l d s 2 6 3 3e q u i p m e n ta n dm a t e r i a l s 2 7 3 4e x p e r i m e n ta n dr e s u l ta n a l y s i s 2 8 3 4 1d i s c u s s e d 2 8 3 4 2c o m p a r a t i v ed i s c u s s i o n 3 4 3 5c h a p t e rb r i e f s u m m a r y 4 2 c h a p t e r4t h ec a e s o f t w a r es i m u l a t i o n 4 5 4 1c o m p a r a t i v es i m u l a t i o no ft h ed i f f e r e n tm o l ds t r u c t u r e 4 5 4 1 1t h ：c o m p a r i s o no f p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 4 6 c o n t e n t s 4 1 2t h ec o m p a r i s o no ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 4 6 4 1 3t h ec o m p a r i s o no fs h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o n 4 7 4 2c o m p a r a t i v es i m u l a t i o no f t h ep o i n tg a t ec a v i t y 4 7 4 2 1t h ec o m p a r i s o no f p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 4 7 4 2 2t h ec o m p a r i s o no ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 4 8 4 2 3t h ec o m p a r i s o no fs h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o n 4 8 4 3c o m p a r a t i v es i m u l a t i o no f t h ef a ng a t ec a v i t y 4 9 4 3 1t h ec o m p a r i s o no fp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n 4 9 4 3 2t h ec o m p a r i s o no f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 4 9 4 3 3t h ee o m p a r i s o no fs h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o n 5 0 4 4s i m u l a t i o ns u m m a r y 5 0 c h a p t e r 5p r o c e s so p t i m i z a t i o n 4 9 5 1t e m p e r a t u r ea r e a s 4 9 5 2h o l d i n gp r e s s u r e 4 9 5 3m o l ds t r u c t u r e 4 9 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 5 1 6 ic o n c l u s i o n s 5 1 6 2p r o s p e c t s 5 2 r e f e r e n c e s 5 3 a p p e n d i x 5 7 a c k n o w l e d g e m e n t 5 9 b r i e f i n t r o d u c t i o no f t u t o ra n da u t h o r 6 1 i i 第一章绪论 1 1 注射成型技术概述 第一章绪论 注射成型技术在高分子材料加工技术中有着非常重要的地位，它不但适用于生产外 形复杂、尺寸精密的塑料制品，而且适合大批量生产，易于实现自动化，具有非常高的 生产效率。注射成型技术在现代制造业中具有举足轻重的地位。据有关统计结果，用于 注射成型的塑料量已占到世界塑料总产量的3 0 【l 】，并有逐年增长的趋势。 注射成型的基本原理是：通过注射机的塑化装置将固态的高分子材料熔融塑化，定 时定量注射到通过锁模装置固定的模具型腔中去，然后高分子材料在型腔中冷却固化得 到成型制品。注射成型技术不但适用于高分子材料，近年来在陶瓷，粉末冶金等领域也 得到了广泛应用l z j 。 注射成型是一个周期循环过程，完成一次循环所消耗的时间称之为注射周期。一个 完整的注射周期主要包含六部分：合模、注射、保压、塑化、冷却定型及脱模项出等步 骤，如图1 1 所示。 ( a ) ( e )( f ) 图1 - 1 注射成型周期 ( a ) 合模( b ) 注射( c ) 保压( d ) 塑化( e ) 顶出( f ) 开始下一个周期 f i g 1 1i n j e c t i o nm o l d i n gc y c l e ( a ) c l a m p i n g ( b ) i n j e c t i o n ( c ) p a c k i n g ( d ) p l a s t i e i z i n g ( e ) e j e e t i n g ( f ) s t a r tf o rn e x tc y c l e 北京化丁大学 1 1 1 注射成型技术的发展史 1 8 7 2 年美国的h 洲等人根据注射金属铸件的专利，发明了塑料注射成型机。该注 射机采用了柱塞式的原理，可以用于注射形状简单的制品。 1 9 0 4 年，e i g a y l o r d 通过实验，总结出了纤维素树脂的加工工艺，并在此工艺的 基础之上发明了后来成为通用注射成型机样板的手动式合模注射机。随后的1 9 2 6 年， l e s h o w 发明了热固性树脂的成型工艺，并在此基础上研制了热固性树脂的注射成型 机。 1 9 4 8 年j a c k o n 和c h u r c h 发明了螺杆，柱塞双塑化装置的两段注射机，并申请了专 利。 1 9 5 2 年德国的h b e t h 等人申请的塑化螺杆式柱塞机专利得到审批，该机器的主要 创新点就是使用传统的注射机螺杆作为柱塞。现今使用的往复式螺杆注射机就是根据该 项技术演变而来的。 我国的注射机工业开始于2 0 世纪5 0 年代末期，我国的第一台注射机于1 9 5 8 年在上 海诞生。随着改革开放的不断深入，我国塑料工业得到长足发展。2 0 0 6 年，我国注射机 的年产量已突破5 万台，占世界总产量的1 3 。尤其是我国注射机行业的领跑者，宁波海 天集团的注射机年产量达1 5 0 0 0 台，跃居世界第一【3 】。图1 2 为宁波海天集团生产的节能 伺服注射 第一章绪论 1 1 2 注射机的基本组成 典型注射机通常包括三部分：塑化装置、合模装置、液压控制装置。塑化装置如图 1 3 所示，主要包括机筒、螺杆、喷嘴等，它的主要作用就是将材料熔融塑化，然后注射 到成型模具中去。合模装置的主要零件为动模板、静模板、拉杆及其夹紧机构。合模装 置的主要作用是支撑模具、开合模。液压控制装置为整个机器提供动力，并控制及其运 动【4 1 。 ( 1 ) 塑化装置注射机中常用的塑化装置分为螺杆式、柱塞式、螺杆柱塞式三种。 而螺杆式塑化装置应用范围最广。图1 4 为粉末合金钢材料制作的螺杆。注射机螺杆的 主要作用是传输、加热、混合、排气。 机简 螺杆 图1 - 3 塑化装置示意图 f i g 1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ep l a s t i c sp l a n t 图1 4 粉末合金钢材料制造的螺杆 f i g 1 - 4s c r e wm a d eb yp ma l l o ys t e e l ( 2 ) 合模装置合模机构主要包括静模板、动模板、拉杆及其夹紧机构。模具的两 个半模分别装在动静模板上，并使用夹紧装置固定，通过液压装置提供的动力实现其在 两个模板之间的移动。合模力通常用吨表示，而且注射机的合模力要大于模具中熔体的 压力，以防止在注射过程中模具被项开，造成溢料。图1 5 为阿博格注射机的合模机构。 3 北京化工人学 图l - 5 阿博格注射机的合模机构 f i g 1 - 5c l a m p i n go fa r b u r gi n j e c t i o nm a c h i n e ( 3 ) 液压传动及其控制装置液压装置主要为注射机提供动力，诸如螺杆旋转、前 进后退、开模合模等。最近研制成功的全电动注射机通过伺服电机提供动力来实现螺杆 的前进后退，开合模等动作。但是仅限于中小吨位的注射机。图1 - 6 为液压传动式注射 机的控制传动简图。 图l 石液压传动式注射机的控制传动简图 f i g 1 6t r a n s m i s s i o nh y d r a u l i cc o n t r o ld i a g r a m 1 1 3 注射成型c a e 技术 注射成型c a e 技术是通过材料学、传热学、流变学、计算力学等较为成熟的基础理 论结合计算机图形学和有效的计算方法，来建立注射成型过程有限元模型，实现对注射 4 第一章绪论 成型过程的实体仿真分析。使得人们可以动态地、定量( 如速度、压力、温度等) 地认 识和分析成型过程。注射成型c a e 技术可以通过优化模具设计、控制成型过程、优化工 艺参数等手段来提高产品质量，降低生产成本【5 1 。 注射成型c a e 软件主要有以下三方面作用： ( 1 ) 优化制品结构设计注射成型制品的质量在很大程度上要受到制品壁厚、流道 系统、浇口位置等因素的影响。而传统的制品设计过程中，全部依靠设计者的经验，利 用手工方法来实现。这种依靠经验的方法不但费时耗力，而且往往得不到最佳制品。但 是利用c a e 软件，对制品的模型进行数值分析，则可以快速准确地设计出最佳的制品。 ( 2 ) 优化模具设计传统的模具设计中，型腔的尺寸、浇口的位置及数量、流道冷 却系统的确定全部是凭借设计者的经验不停地修模、试模，浪费了大量的时间和精力。 而利用c a e 软件，可以将实际的试模修模过程移植到计算机中实现，从而有效地减少模 具设计周期，缩短加工成本。 ( 3 ) 优化工艺参数通过c a e 软件对成型过程进行仿真模拟，可以对一些可能出 现的成型缺陷进行成功预测，从而达到确定最佳工艺参数( 注射压力、温度、速度等) ， 提高产品质量的目的。 目前市场上绝大部分的c a e 软件采用的有限元模型主要经历了如下三个阶段，分别 是中面( m i d p l a n e ) 模型、双面( f u s i o n ) 模型、三维实体( 3 d ) 模型【6 】。如图1 7 所示，分别为 c a d 模型和三种有限元单元类型【8 卜 1 0 l 。 3 ( a ) 产品c a d 模型( s t l 格式) ( b ) 中面模型( m i d p l a n e ) ( c ) 双面模型( f u s i o n )( d ) z 维实体模型( 3 d ) 图i 7 注射成型c a e 有限元单元模型 f i g 1 - 7f e mm o d e lo fi n j e c t i o nm o l d i n gs i m u l a t i o n 北京化工大学 1 2 光弹性实验的发展与现状 1 2 1 光弹性实验原理 光弹性实验是一种光学应力测量方法。它通过将具有双折射性能的材料，制成与零 件几何形状形似的模型，然后在模型上模拟零件的承受载荷情况。将承受载荷后的模型 置于偏振光场中，可获得干涉条纹图。这些条纹指示了模型边界和内部各点的应力情况。 依照光弹性原理，即可算出模型各点应力的大小与方向，然后利用模型相似原理换算出 真实零件上的应力【1 1 卜_ 1 3 j 。 根据光的偏振原理，一束入射光波在双折射介质( 如方解石) 中将被分为偏振面互相垂 直的两束偏振光0 光( 寻常光线) 和e 光( 非常光线) ，介质对它们的折射率分别为仉7 乃。如 果入射光垂直于入射平面，而该入射平面又含有光轴时，这两束光波在同一点离开介质 时将产生一定的相位差 一d ， 、 a f o = 2 n l 一r e ) ( 1 1 ) 以 其中d 是介质的几何厚度，单位m m 力为入射光波长，单位m 。如把上述双折射介质 放在两个正交的偏振镜之间。当适当的光通过这个光学系统时，由于发生了不同相位的0 光和e 光的干涉，将会在检偏镜后记录屏上观察到偏振光的干涉图样。当0 光和e 光离 开检偏镜时的总相位差缈总等于7 的奇数倍时，可观察到干涉暗条纹【1 4 1 。 如图1 8 所示光路图，当光源发出的光线经过成像透镜变为平行光，平行光经过起 偏镜时，形成平面偏振光，平面偏振光经过1 4 波片变成圆偏振光。当平面偏振光穿过 试验用模型时，如果模型中存在应力，平面偏振光会沿着主应力方向分解为两支平面偏 振光，由于两支光的折射率不同，根据光的偏振原理，两支光产生光程差，因而得到干 涉条纹。但是干涉条纹中存在等倾，等差两种图样不易于观察。通过在光路图中加入1 4 波片，将平面偏振光变为圆偏振光。从而消除等倾图样，只留下彩色的等差图样，以方 便观察【1 5 卜【1 6 1 。图1 - 9 为轮片模型的等差图样。 6 第一章绪论 图1 8 光弹性实验光路图 f i g 1 - 8p h o t o e l a s t i eo p t i c a lp a t hd i a g r a m 1 2 2 光弹性法的分类 图1 - 9 轮盘的等差条纹 f i g 1 9t h ep h o t o e l a s t i cf r i n g eo fg e a r 根据模型上应力的方向，可以将光弹性法分为两类：二维光弹法和三维光弹法。所 谓的二维光弹法就是在光弹性实验中，模型上应力沿某一方向保持不变，在二维光弹法 中模型通常是平面的。三维光弹法中，模型上任意一点的主应力的方向，大小随着应力 位置的变化而变化。在三维光弹法中所使用的模型通常为组合模型【1 7 1 。 1 2 3 在各领域的应用 7 北京化_ t 大学 上海交通大学附属医院的张文云等人用三维光弹应力分析法研究了不同弹性模量材 料桩钉对牙根应力分布的影响。结果表明：弹性模量与牙体组织接近的f r c 桩钉在牙根 内的应力分布比较均匀，可以有效地保护牙体组织【l 引。 浙江大学的徐利华等人在研究颗粒弥散陶瓷应力分布时，根据单种单颗粒体系的 s e l s i n g 应力模型，建立了单种多颗粒体系界面应力平衡方程1 1 9 1 。表明界面应力与粒子在 基质中的浓度有关。 中国矿业大学的毛灵涛、王文贞、刘红彬等人，在研究不同纤维掺量活性粉末混凝 土r p c 2 0 0 的断裂性能时，通过引入光弹性贴片法，获取了光弹贴片所显示的裂缝扩展 全过程，由光弹性条纹分析了不同纤维掺量试件的初裂荷载及临界有效裂缝长度的变化 规律。总结出试件的初裂载荷和峰值载荷，随着钢纤维的掺入量增加而增大【2 。 郑州大学的韩建、申长雨等人，通过利用光弹法测试注射成型的聚苯乙烯( p s ) 平板 制品在不同工艺条件下的双折射分布，分析了熔体温度和保压压力变化对制品流动残余 应力的影响。实验结果表明，p s 注塑制品流动残余应力在流动方向上从浇口附近至流动 末端逐渐降低，并且最大双折射值随保压压力增加和熔体温度降低而升耐叫卜一幽j 。 上海医科大学物理教研室的姜艳平、刘宝松等人通过模拟人体颅脑，利用光弹性实 验原理，得出颅脑受到撞击时脑体各部分的载荷分布【2 4 j 。 1 3 注射成型可视化技术 在塑料机械领域，可视化方法是研究高分子材料成型过程的一种重要方法。尤其是 在c a e 技术的辅助下，近些年来得到突飞猛进的发展。可视化技术可以直接明了地揭示 成型过程中一些缺陷的产生过程，在分析成型缺陷的产生机理方面，有着不可替代的重 要作用，因此国际上对可视化技术的重视程度也越来越高。在可视化技术诞生之前，学 术界主要靠c a e 模拟技术来模拟注射成型或挤出成型的过程，预测可能出现的结果。但 是由于模拟技术和计算机发展水平的限制，模拟结果和现实有比较大的差距。但是通过 可视化技术，我们可以直观地观察到熔体塑化、充填的真实过程。这样不但可以验证计 算机数值模拟的结果，还可以修正模拟参数，使结果更加贴近实际的成型过程1 2 引。 1 3 1 注射成型可视化技术的发展 1 9 5 1 年g i l m o r e 和s p e n c e r 在研究注射成型熔体充填过程中，提出了透明模具的方 案，即使用玻璃材料制造模具来观察熔体的充填过程。但是由于技术等原因未能实现。 1 9 8 7 北京化工大学的王兴天教授，利用光的折射原理，研制出一套能够实时观测高 分子熔体充填过程的模具j 日本东京工业大学的佐藤薰等人通过透明视窗和摄像机进行了动态可视化实验研 第一章绪论 究，揭示了波流痕的成型机理。得出了不均匀区域的热收缩是引起波流痕产生的主要原 因。 美国德拉瓦大学的s i m o nb i c k t o n 等人通过在高分子熔体中添加磁性金属颗粒和安 装厚度可以调节的玻璃型腔，成功地观测到熔体前沿的流动情况，并分析了注射压力对 熔体流动前沿的影响【2 6 卜【2 引。 西北工业大学的林德宽、马天宝等人采用图1 1 0 所示实验装置，通过高速摄像结合 荧幕投影