CN111307347B 一种试件表面主应力测试装置及方法 （天津城建大学）

(19)国家知识产权局(12)发明专利李军龙(普通合伙)12225180页-第186页.本发明公开了一种试件表面主应力测试装CCD,通过移动测量组件中部分装置的位置测量3212测量组件，设置在粘接有光弹性贴片的被测构件的一侧，包括可拆卸设置在平台(7)上的光源(1)、滤色镜(2)、起偏镜(3)、四分之一波片(4)、检偏镜(5)和CCD(6),通过移动测量组件中部分装置的位置测量等差线条纹级数和试件表面的应变值，并得出试件表面的主应平台(7)上设置有多个平行设置的滑道，其中：光源(1)和CCD(6)位于平台(7)上的第一滑道(71)上；滤色镜(2)位于平台(7)上的第二滑道(72)上；起偏镜(3)和检偏镜(5)位于平台(7)上的第三滑道(73)上；四分之一波片(4)位于平台(7)上的第四滑道(74)上；测量组件的底部通过可拆卸组件分别固定在平台(7)的滑道上，可拆卸组件包括带螺杆底座(8)和螺母(9);将光源(1)、起偏镜(3)和四分之一波片(4)放置在同一轴线上，将另一四分之一波片(4)、检偏镜(5)和CCD(6)放置在同一轴线上，得到试件的彩色等差线条纹图，显示出应力分将光源(1)、滤色镜(2)、起偏镜(3)和四分之一波片(4)放置在同一轴线上，将另一四分之一波片(4)、检偏镜(5)和CCD(6)放置在同一轴线上，光源(1)为单色光，得到试件的明暗相间的等差线条纹图，确定出等差线条纹级数；将光源(1)和CCD(6)放置在同一滑道上，得到试件表面的散斑图，根据变形前后的散斑2.一种试件表面主应力测试方法，采用权利要求1中所述的一种试件表面主应力测试步骤一，将测量组件中部分装置放置在同一轴线上，测量等差线条纹级数和试件表面的应变值；步骤二，根据测得的等差线条纹级数和试件表面的应变值，进行试件表面的主应力测试，并进行了公式推导，测试出试件表面的全场主应力值。3.根据权利要求2所述的试件表面主应力测试方法，其特征在于，在步骤二中：考察偏振光正入射光弹性贴片，透过光弹性贴片后被界面反射，再次透过光弹性贴片射出时的光弹性效应，光弹性贴片上任一点的主应力差为：(σ1)c、(σ2)c表示光弹性贴片的主应力和主应变；n为等差线条纹级数；f。为光弹性贴片的应力条纹值；h为光弹性贴片厚度。34.根据权利要求3所述的试件表面主应力测试方法，其特征在于，通过广义虎克定律分析应力应变关系：其中，在公式(3)中：(81)c、(82)c表示光弹性贴片的主应变；(σi)p、(σ₂)p和(81)p、(82)p表示被测构件表面对应点的主应力和应变；E和E,分别为光弹性贴片和被测构件材料的弹性模量；μc和Hp分别为光弹性贴片和被测构件材料的泊松比。5.根据权利要求4所述的试件表面主应力测试方法，其特征在于，将公式(1)代入公式(3),光弹性贴片和被测构件上对应点的应变量相等，得到：其中，公式(4)中：f。毫米/条，为光弹性贴片材料的应变条纹值；由此推导出被测构件表面的主应力之差为：6.根据权利要求5所述的试件表面主应力测试方法，其特征在于，被测构件表面的主应力计算式为：将主应力相加得到：通过广义虎克定律分析被测构件表面的应力应变关系：407.根据权利要求6所述的试件表面主应力测试方法，其特征在于，将公式(9)代入公式(7)中可求得主应力和：结合公式(5)和公式(10)可计算出主应力，实现主应力分离：(6:.)。和(6,)通过采集的变形前后散斑图，等差线条纹级数n通过采集的等差线条纹图计算。5一种试件表面主应力测试装置及方法技术领域[0001]本发明涉及光学应力量测系统，尤其涉及一种试件表面主应力测试装置及方法。背景技术[0002]在工程实际中，有很多受力构件上的危险点是处于复杂应力状态，此时材料的破坏与三个主应力有关。而主应力可以无数组合来研究它达到危险状态时的极限应力值。人们根据长期的实践和大量的试验结果，对材料失效的原因提出了各利不同的假说，通常就将这些假说称为强度理论。[0003]光弹性贴片法是将应变光学灵敏度较高的一种光弹性贴片粘贴在被测构件表面，通过测定贴片随被测构件表面变形而产生的等差线干涉条纹级数，求得该被测构件表面应变分布的一种实验应力分析方法。它能直接从工程构件表面测得应变的全场分布状况，并准确测定构件应力集中现象，故能将常用的光弹性实验技术用到工业现场的实测中去。光弹性贴片法是一种全场观测的分析方法，故能发现难以预计的某些高应力区域，例如装配、加强，焊接所带来的应力集中区；不仅能测量静态的弹性应力，还能测量动态应力、弹塑性石、橡胶等材料制成的结构或零件。此外，在断裂力学研究中，也可用此法测量裂纹尖端弹塑性应变场和裂纹扩展过程。[0004]将有光弹性效应的薄片粘贴在需要分析的试件上，当试件受载时，其表面应变通过剪切传递，能够使试件的应变场在贴片中再现。对应力进行定量分析，必须进行主应力分离。应力分离方法主要有条带法、辅助应变计法、切割法以及一次正射和一次斜射的应力分离法。上述前三种方法的缺点为无法测得全场数据。对贴片一次正射和一次斜射的应力分离法可测得全场数据，但是测试和计算过程非常复杂。[0005]针对上述问题，本专利提出了基于光弹性贴片法和数字图像相关法进行主应力测试，并设计主应力测试装置。数字图像相关法是根据物体表面随机分布的斑纹的光强在变形前后的概率统计的相关性来确定物体表面位移和应变的，其测量过程为由CCD摄像机采集物体表面的斑纹图，这些图像经转换以各像素点灰度值表征。数字图像相关法就是利用表面变形前后的两幅图像的灰度值进行相关运算，从而达到求解变形体表面位移和应变的目的。贴片工艺中在粘接剂中适当加入适量墨粉，作为随机斑点，运用数字图像相关法可测得构件表面应变，根据应变可计算出构件表面的主应力和。再结合光弹性贴片法测试出的发明内容[0006]本发明的目的在于提供一种试件表面主应力测试装置及方法，能够测试出试件表面的全场主应力值，并且能够通过光弹条纹的形式更为直观显示试件表面的应力分布。[0007]为实现上述目的，本发明的一种试件表面主应力测试装置及方法的具体技术方案6[0008]一种试件表面主应力测试装置，包括：光弹性贴片，粘贴在被测构件上；以及测量组件，设置在粘接有光弹性贴片的被测构件的一侧，包括可拆卸设置在平台上的光源、滤色镜、起偏镜、四分之一波片、检偏镜和CCD,通过移动测量组件中部分装置的位置测量等差线条纹级数和试件表面的应变值，并得出试件表面的主应力。[0010]步骤一，将测量组件中部分装置放置在同一轴线上，测量等差线条纹级数和试件表面的应变值；[0011]步骤二，根据测得的等差线条纹级数和试件表面的应变值，进行试件表面的主应力测试，并进行了公式推导，测试出试件表面的全[0012]本发明的一种试件表面主应力测试装置及方法的优点在于：[0013]1)能够测试出试件表面的全场主应力值；[0014]2)能够通过光弹条纹的形式更为直观显示试件表面的应力分布。附图说明[0017]图2a为本发明中的测量装置的俯视图；[0018]图2b为本发明中的测量装置具体实施方式[0020]为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种试件表面主应力测试装置及方法做进一步详细的描述。[0021]如图1a至图2b所示，其示为本发明的一种试件表面主应力测试装置及方法，通过光弹性贴片法和数字图像相关法进行主应力测试，测试装置包括光弹性贴片、被测构件和测量组件，其中，本发明中的光弹性贴片粘贴在被测构件上，采用粘度较低的环氧树脂和室温固化剂，并加入适量的稀释剂，制成贴片材料。光弹性贴片通过粘结剂粘贴在被测构件表面上，胶粘剂采用室温固化的环氧胶，当遇到反光性能较差的零件表面，可在胶粘剂中加入像相关法测试。[0022]进一步，测量组件设置在粘接有光弹性贴片的被测构件的一侧，包括可拆卸设置在平台7上的光源1、滤色镜2、起偏镜3、四分之一波片4、检偏镜5和CCD6(CDD即电荷耦合器件),通过移动测量组件中部分装置的位置测量等差线条纹级数和试件表面的应变值，并得出试件表面的主应力。[0023]进一步，平台7上设置有多个平行设置的滑道，光源1和CCD6位于平台7上的第一滑道71上，滤色镜2位于平台7上的第二滑道72上，起偏镜3和检偏镜5位于平台7上的第三滑道73上，四分之一波片4位于平台7上的第四滑道74上。[0024]进一步，测量组件的底部通过可拆卸组件分别固定在平台7的滑道上，可拆卸组件7CCD拍摄图像如图1a所示，得到试件的明暗相间的等差线条纹图，能够确定等差线条纹级应力。8[0040]将公式(1)代入公式(3),注意到光弹性贴片和被测构件上对应点的应