三维数字光弹性基本方法的研究和应用

论文摘要

光弹性法是解决工程中二维和三维应力问题的有效实验方法,它能够直接测量三维模型内部任意一点的应力信息。随着计算机技术的发展,光弹性法测量三维应力模型的自动化技术成为新的研究热点。本文在结合前人工作的基础上,针对三维数字光弹性法中的几个待解决的问题进行系统的研究,实现从图像采集到应力分离的完全自动化。本文以相移法为实现数字光弹性法的基础,针对Patterson和Wang的光弹性六步相移法中等倾线信息受到整数和半数级等差线的影响,提出了八步相移法。该方法从理论上解决了等倾线(范围在[ 0,π2])信息受等差线干扰的问题,得到全场等倾线参数。在光弹性八步相移法的基础上,提出了确定模型切片的第一主应力方向的三种方法。根据求解反正切运算的两种规则,分析并获得反映第一主应力方向的等倾角信息。通过对径受压圆盘和圆环验证了该方法的可行性。分析了时效对三维光弹性模型的影响,在时效存在的前提下,假设了时效影响的力学模型,通过模拟和实验证明了此假设。介绍了在实验中消除时效影响的两种方法。在三维冻结应力模型切片的应力信息自动获取后,本文讨论了应力分离实现自动化的问题。用三维数字光弹性法分析汽轮机叶根、轮缘的三维接触应力。得到了该模型六个应力分量的全场数值,并讨论了叶根和轮缘的可能接触区域、该三维模型的Mises等效应力和轮缘各齿承担的载荷。这说明三维数字光弹法可以应用到工程测试中,为扩展数字光弹性法发展的空间奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景
• 1.2 三维数字光弹法存在的问题
• 1.2.1 等差线条纹级次的确定
• 1.2.2 第一主应力方向的确定
• 1.2.3 光弹模型的时效影响
• 1.3 本文工作
• 第二章 冻结模型切片全场次主应力信息的获取
• 2.1 引言
• 2.2 一些基本概念的讨论与约定
• 2.3 数字光弹性八步相移法
• 2.3.1 八步相移法原理
• 2.3.2 对径受压圆盘模拟仿真
• 2.3.3 圆盘实验验证
• 2.4 数字光弹法中等倾角的确定
• 2.4.1 根据规则1 分析等倾角
• 2.4.2 根据规则2 分析等倾角
• 2.4.3 实验验证
• 2.5 模型时间边缘效应的分析
• 2.5.1 时间边缘效应产生的原因
• 2.5.2 时间边缘效应力学模型的假设
• 2.5.3 去除时间边缘效应的方法
• 2.6 本章小结
• 第三章 三维数字光弹性法的应力分离
• 3.1 引言
• 3.2 切片有效区域的匹配
• 3.3 三维数字光弹法的应力分离
• 3.4 形函数法在三维数字光弹法应力分离中的应用
• 3.4.1 有限元法中单元形函数构造的基本准则
• 3.4.2 点插值形函数
• 3.4.3 利用点插值形函数对模型切片应力场的拟合
• 3.5 本章小结
• 第四章 汽轮机叶根和轮缘接触应力的三维数字光弹性分析
• 4.1 引言
• 4.2 模型设计
• 4.3 冻结切片的三维数字光弹法测量
• 4.3.1 切片次主应力差和次主应力方向的确定
• 4.3.2 切片边缘时效分析
• 4.3.3 应力分量的确定
• 4.4 叶根、齿缘三维数字光弹法结果分析
• 4.4.1 部分切片的白光下的光弹性图片
• 4.4.2 Mises等效应力
• 4.4.3 应力集中系数
• 4.4.4 轮缘各齿承担载荷
• 4.5 本章小结
• 第五章 误差分析
• 5.1 引言
• 5.2 1/4 波片与光源的匹配
• 5.3 光学元件的角度误差讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 不足与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢