光测实验指导.doc

实验力学实验指导（第二篇 光测部分）华南理工大学力学实验中心 编写2014年04月注意事项1、 光测力学实验中所用到的光源有激光、白光等，其中激光不能用眼睛直视，否则对眼睛有伤害；不要用手触摸激光器电源正负二个极，否则很危险。 2、 实验过程中室内光线较暗，要注意地面上的电线插座以及头部高度的加载架，以免受伤。3、 光学仪器属精密仪器，价格昂贵，装配很精密，拆卸后很难复原，因此严禁私自拆卸仪器。4、 在使用和搬运过程中应谨慎小心，避免碰撞，使仪器保持清洁，各转动部分保持灵活。5、 实验前应熟悉仪器说明书内容、了解仪器的性能、结构特点和操作要领，实验过程中要遵守操作规则。6、 光学仪器的调节具有一定的难度，需要细心和耐心，调整各部件用力要适当，不要强旋、硬扳，防止滑丝。7、 光学元件由光学玻璃经过精加工而制成，容易破碎，光学表面要求清洁，不能有磨损，不能用手摸，不能随意擦拭。实验中，仪器应轻拿轻放，动作轻缓，以免撞倒仪器及元件。8、 实验中保持安静，并保持实验环境的清洁。实验完毕，应将仪器恢复原样，待老师认可后，才能离开实验室。光学仪器、光学元件的保养和维护为了延长光学仪器的寿命，考虑到仪器经常使用后，势必会产生不同程度的磨损和异常现象。因此，对仪器经常进行保养、维护及故障排除，对保持仪器原有的精度起着决定性的作用。1、 仪器内部灰尘需清理干净。大件的仪器（如光弹仪的偏振片、波片、透镜等），使用完毕，一定要用罩子把仪器罩好，防止灰尘、潮气进入。小的仪器（如分光计、镜头等）使用完毕，应放入电子干燥箱中。2、 光学镜片表面长霉生雾的排除：用脱脂棉花蘸上蒸馏水轻轻在镜片上擦去，如霉雾时间长，不易擦去，不镀膜的可用碳酸钙加少量的蒸馏水拌和蘸在脱脂棉花上来回擦，后用95%的乙醇脱脂，再用混合液清擦。混合液的调制：88%的乙醚和12%的乙醇（95%）混合而成。 镀膜的镜片不能用脱脂棉擦试，只能用橡皮球吹试。3、 手指印、油脂的排除：用脱脂棉花蘸上汽油揩擦，再用95%的乙醇脱脂，再用混合液向一个方向揩擦。4、 光学元件不用时，应存放在干燥箱中，防止受潮、发霉。 目 录实验一 光弹性实验方法观察实验5实验二 梁的弯曲实验9实验三 对径受压圆盘的应力分析.12实验四 拉伸板孔边应力集中系数的测定16第二篇 光弹性实验方法 光弹性实验方法是一种光学的应力测量方法。它是采用具有双折射性能的透明材料作成与实际构件形状相似的模型，并在其上施加与实际构件载荷相似的外力，置于偏振光场中，由于偏振光的于涉，形成明暗相间的条纹，这些条纹指示了模型内部各点的应力情况，可用来确定模型各点的应力，再根据模型相似理论，换算成实际构件中的应力，其精度一般能满足工程设计要求。 光弹性法是全域性的实验方法，直观性强；能有效和准确地确定结构或零件的应力集中；从强度观点寻求零构件合理的几何形状比较迅速、经济；可用来确定零构件表面和内部各点的应力，不仅能用于平面问题的应力分析而且能用于三维问题以及动应力、热应力和塑性变形等的研究。在机械、土建水利、交通运输、化工容器及航空等方面有较广泛的应用。实验一 光弹性实验方法观察实验 一、实验目的1、了解光弹性仪各部分的名称和作用，掌握光弹性仪的使用方法。2、观察光弹性模型受力后在偏振光场中的光学效应。 二、基本原理概述光弹性实验所使用的仪器为光弹性仪，一般由光源（包括单色光源和白光光源）、一对偏振镜、一对四分之一波片以及透镜和屏幕等组成，其装置简图如图1-1，国产408型光弹性仪的外形如图12。图1-1 光弹仪装置简图图1-2 408型光弹仪光弹性实验中最基本的装置是平面偏振光装置，它主要由光源和一对偏振镜组成，靠近光源的一块称为，另一块称为检偏镜，如图1-3所示。当两偏振镜轴正交时形成暗场，通常将起偏镜轴调整为竖直方向，检偏镜轴为水平方向。当两偏振镜轴互相平行时；则呈亮场。图1-3 平面偏振光装置在正交平面偏振光场中，由双折射材料制成的模型受力后，则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，此光程差与模型的厚度h及主应力差成正比，即 =C h （1-1）其中C为比例系数，此式称为平面应力光学定律。当光程差为光波波长的整数倍时，即 =N，N=0，l，2， （12）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，形成黑线，称为等差线，由式（11）和（12）可得到 （1-3）其中 称为材料条纹值。由此可知，等差线上各点的主应力差相同，对应于不同的N值则有0级、1级、2级等差线。 此外。在模型内凡主应力方向与偏振镜轴重合的点，亦形成一暗黑干涉条纹，称为等倾线，等倾线上各点的主应力方向相同，由等倾线可以确定各点的主应力方向。当二偏振镜轴分别为垂直、水平放置时，对应的为零度等倾线，这表明，等倾线上各点的主方向皆与偏振镜轴重合（即一个主应力方向为水平，另一个为垂直方向，习惯上以检偏镜轴为水平方向，并以此为基线），此时若再将偏振镜轴同步反时针方向旋转10即得10等倾线，其上各点主应力方向与基线夹角为10，其他依此类推。408型和409型光弹仪的偏振镜均有同步旋转装置。 等差线和等倾线是光弹性实验提供的两个必要的资料，据此可根据模型的受力特性计算其应力。为了消除等倾线以便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，各镜片的相对位置如图14所示。 图4正交圆偏振光场布置简图 一般观测等差线时，首先采用白光光源，此时等差线为彩色，故亦称为等色线，当N=0时呈现黑色，等差线的级数即可根据零级确定，非零级条纹均为彩色，色序按黄红绿次序指示着主应力差的增加，并以红绿之间的深紫色交线为整数条纹，在具体描绘等差线图时，可采用单色光源如钠光或激光，以提高测量精度。三、实验设备与模型1、光弹性仪。2、光弹性模型：梁，圆盘，圆环等。四、实验步骤1、观看光弹性仪的各个部分，了解其名称和作用。2、取下光弹性仪的两块四分之一波片，将二偏振镜轴正交放置，开启白光光源，然后单独旋转检偏振镜，反复观察平面偏振光场光强变化情况，分析各光学元件的布置和作用，并正确布置出正交和平行两种平面偏振光场。3、调整加载杆杠，放人圆盘模型，使之对径受压，逐级加载，观察等差线与等倾线的形成。同步旋转两偏振镜轴，观察等倾线的变化及特点。4、在正交平面偏振场中加入两片四分之一级片。先将一片四分之一波片放入并转动之使成暗场，然后转45，再将另一四分之一波片放人并转动使再成暗场，即得双正交圆偏振光场。此时等倾线消除，在白光光源下，观察等差线条纹图，分析其特点。再单独旋转检偏镜90，则为平行圆偏振光场，观察等差线的变化情况。5、熄灭白光，开启单色光源，观察模型中的等差线图，比较两种光源下等差线的区别和特点。6、换上其他模型，重复步骤3至5，观察在不同偏振光场和用不同光源情况下，模型内等差线和等倾线的特点和变化规律。5、 关闭光源，取下模型，清理仪器、模型及有关工具。五、实验报告要求1、绘出光弹性仪装置简图，简述各光学元件的作用。2、简要说明仪器调整过程，并绘出正交和平行平面偏振光场以及圆偏振光场布置简图。3、简述在不同偏振光场和不同光源下观察到的模型中的干涉条纹现象。实验二 梁的弯曲实验一、实验目的1、通过梁的纯弯曲实验，测定光弹性材料条纹值f。2、通过简支梁弯曲实验，掌握等差线和等倾线的绘制方法，并计算不同截面的剪应力。二、实验原理和方法1、矩形截面梁在弯矩M作用下，如图21所示，根据光弹性实验的等差线图测得纯弯区段邻近上下边缘某整级数条纹N之间的距离H0，如图22，对应的应力理论值为 其中M为弯矩，h为梁厚度，H为梁高度，H0为等差线图上条纹级数N之间的距离，为等差线图上梁边界间的距离。 图2-1 纯弯曲梁模型及加载装置 图2-2 纯弯曲梁等差线示意图图2-3 简支梁受跨中集中载荷又根据光弹性实验的基本关系式有 则可得到 (2-1)2、两端简支的矩形截面梁，跨中承受集中载荷P，根据光弹性实验提供的等差线条纹图和等倾线条纹图，可通过下式计算得到各点的剪应力值 (2-2)其中h为梁的厚度， f为材料条纹值，N为等差线条纹级数，为等倾线参数。三、实验设备及模型1、光弹性仪。2、矩形截面梁。四、实验步骤（一）纯弯梁实验1、将二偏振镜轴水平垂直放置，将一对四分之一波片放入，令其轴与偏振镜轴成45角，使成暗场，即得正交圆偏振光场。2、测量模型尺寸H、h，并划线。3、调整加载杠杆使之平衡，根据划线位置将模型按图2-1所示安装成纯弯受力形式。开启白光光源，对模型施加少许载荷，调整成像系统，使在屏幕上成适宜大小和清晰的映像，并观察条纹的对称性，若不对称，则调整加载装置直到对称为止。4、逐级加载，观察等差线的生成和变化规律，加载至纯弯区段上下边缘的等差线级数为34级，停止加载。分析等差线特点，找到零级条纹位置及条纹变化规律，判断边界应力符号。5、在屏幕上用描图纸描绘模型边界线及等差线条纹图并标明级数，记下载荷值。（二）简支梁弯曲实验1、等差线描绘（1）将仪器调整为正交圆偏振光场。（2）在梁上划出支座及加载位置线，以及计算截面AB，CD位置线。 （3）在加载架上安装试件如图2-3，开启白光光源，对加少许载荷，调整成像系统使在屏幕上成像清晰，并调整加载装置使条纹对称。（4）逐级加载，至AB截面出现34级等差线为止，观察与分析等差线的特点和变化规律，判断边界应力符号。（5）在屏幕上用描图纸描出模型边界线及等差线条纹，标明级数。（6）单独旋转检偏镜90，即成平行圆偏振光场，得到半级数条纹图案，用虚线描在屏幕的描图纸上，标明级数。（7）记下载荷P。 2、等倾线描绘（1）将四分之一波片取下，使二偏振镜轴分别为水平垂直放置，即得平面偏振光场，利用白光光源，适当减少载荷，使模型呈浅色背景，同步反时针方向转动二偏振镜，观察等倾线变化规律。（2）以检偏镜轴成水平为基准，同步反时针方向转动偏振镜轴，在屏幕上用描图纸依次描出0，5，15” ，30，45，60，75，85等倾线，标明度数，并反复检查核对。3、将实验结果交指导教师检查签字。4、清理实验现场。五、实验报告要求1、简述实验目的及过程。2、绘出纯弯梁等差线分布图，量出图22所示H，H0。再根据P、a、N、H值由式（21）计算出f值。3、绘制简支弯曲梁的等差线和等倾线图。并划出AB，CD截面的N，曲线，将AB，CD截面分成若干等分（如六等分），根据N，曲线求出各分点的N，值，再由式（22）计算各点的剪应力值，绘出剪应力分布曲线，并与材料力学计算结果比较。4、结果讨论（1）实验值与材料力学计算结果比较分析（2）实验结果误差分析。附录：梁弯曲的条纹图图2-4 纯弯曲梁等差线图图2-5 三点弯曲梁等差线图 实验三 对径受压圆盘的应力分析一、实验目的1、利用圆盘对径受压测量材料条纹值f。2、掌握用剪应力差法计算任一截面的应力分量，本实验计算水平直径的应力分布。二、实验原理与方法 圆盘在对径压力作用下的应力分析，是一较典型的平面应力问题，由于模型和载荷是对称的，在水平直径上没有剪应力，在圆心处，根据弹性力学理论解有 其中P为载荷，D为直径，h为模型厚度。 又由光弹性实验测得圆心处的等差线条纹级数N，则在圆心处有 由以上各关系式，可以得到材料条纹值 （3-1）由于圆心处时间边缘效应很小，用对径受压圆盘来测定材料条纹值往往精度较高。为了计算水平直径的应力可采用剪应力差法，考虑到受力的对称性，只取一辅助截面如图31，将水平半径OM及辅助截面AB分为若干等分，则由测得各分点的N，值，根据下列公式计算各分点的应力值。图3-1 圆盘对径受压 AB截面的剪应力 为x轴与l的夹角，并自x轴逆时针方向转到l为正。剪应力差OM截面的正应力x、y与坐标轴的正方向一致为正，为边界应力值。 三、实验设备及模型1、光弹仪2、圆盘模型。四、实验步骤1、按图3-1所示，用铅笔在模型上画出计算截面位置线，并将其分成五等分，各分点记作0，1，2，3，4，5。在OM截面上方取辅助截面AB，AB与OM间距为x/2，分点为a，b，c，d，e，此组分点分别在OM截面的相应分点中间。量测试件直径D，厚度h。2、等倾线测量 （1）调整仪器为平面偏振光场，开启白光光源。 （2）将模型放入加载架，加一初始载荷，调整偏振镜，使圆盘中呈现水平垂直的十字形等倾线，即零度等倾线。 （3） 同步反时针旋转偏振镜，逐点测量AB截面上各分点的等倾线度数，并记录之。3、等差线测量 （1）加入一对四分之一波片，调整仪器为正交圆偏振光场，开启白光光源。 （2）对模型逐级加载，直至圆盘中心出现45级条纹为止，观察等差线的形成过程，数清条纹级数。 （3）换用单色光源（激光），利用单独旋转检偏镜方法逐点测量AB，OM截面上各分点的等差线条纹级数N，并记录之。 （4）记录载荷P。 4、将实验结果交指导教师检查签字。5、关闭光源，卸去载荷，取下模型，整理现场。五、实验报告要求1、简述实验目的与步骤。2、根据圆盘中心点等差线条纹级数，由式（31）计算材料条纹值。3、利用剪应力差法计算OM 截面的正应力，画出应力分布曲线。数据表格点号N点号xNyabcde 4静力平衡校核内力的合力可根据y曲线所包围的面积求得，近似为 与外力P比较误差为 5、与弹性力学计算结果比较由弹性力学可解得水平直径各点的应力为 其中的原点在圆心。数据表格点号012345y理论值y实验值误差附录：对径受压圆盘条纹图图3-2对径受压圆盘等差线图实验四 拉伸板孔边应力集中系数的测定一、实验目的和要求 掌握边界应力及应力