光弹性实验——(一)光弹性实验原理和方法的介绍

一、引言 光弹性实验是科学实验的一种,它利用偏振光通过由透明的和各向同性的光敏塑料制成的受力模型,以获得应力光图。然后,用应力状态理论,求出模型中任一截面的应力分布情况。最后,按相似理论将模型的应力换算为与之对应的结构或零件的应力。可见,它是一门与晶体光学、高分子化学、相似理论和固体力学紧密结合的,用实验方法对结构物或零件进行应力分析的科学。     

关于三维模型光测“冻结”法的若干问题

一、方法的简介 1.光测法 当偏振光通过受载荷作用的透明塑料模型(光测模型)时,模型各点将产生与应力状态相关联的光学干涉条纹图案——应力光图(等色线及等倾线)。用偏光弹性仪,可以定量地量测应力光图,进而对模型作全面的应力分析。若模型及作用于其上的载荷与真实结构(原型)相似,则根据相似原理,可将模型应力转换为原型应力。上述     

机匣模拟疲劳试验的相似条件研究

理论分析和试验结果表明，受内压的机匣与其相应的平板模型在开孔附近的等效应力分布非常相似；机匣模拟疲劳试验的应力相似条件下可表为，机匣与其模型在控制疲劳寿命的关键部位的等效应力水平和分布相同。     

混凝土输送泵车臂架系统流固耦合振动分析

针对混凝土泵车的工作原理和结构特点,结合现有输送管流固耦合理论的研究成果,提出了基础有平动位移的悬臂输送管理论模型,并通过多体运动学理论和Hamilton变分原理,建立该模型的运动微分方程.采用有限单元理论建立混凝土泵车臂架系统的流固耦合运动微分方程.选取混凝土流速U=2.265m/s和不考虑混凝土流动进行对比仿真分析后发现:两者臂架振动响应均值相同;但稳态时两者振动幅值比值最大,接近2;而改变Rayleigh阻尼系数则对臂架振动响应影响不大,这说明混凝土的流动增加臂架振动阻尼效应显著.结合Matlab仿真分析与Ansys三维有限元模型,模拟计算出了臂架结构动应力,对比测点应力测试结果与模拟计算结果,两者应力历程变化趋势相似,应力值较接近,最大差异小于20MPa,验证了仿真模型的合理性.     

几种实体桥梁的光弹实验分析与结构评价

为探询桥梁整体结构特点,按照实验力学的相似理论,采用数控加工方法将六种典型实体结构的桥梁制成光弹性模拟试件。通过光弹性实验分析获取它们承载状况下的等色线和等倾线图,经计算机数据采集和处理后,得到模型结构的二维应力分布趋势以及应力沿桥面的变化规律。根据系统工程理论,对它们整体结构进行评价并提出局部改进建议。实验证明光弹法对桥梁结构及复杂弹性几何体承载规律的研究非常有效,是研究这一类问题的一种很好的实验仿真方法。结合理论计算和专家分析系统可以综合的进行桥梁结构方案的优选设计,为理论计算的准确合理性提供实验依据。该实验研究结果可以作为桥梁结构教学素材,为实际建桥方案的拟定提供参照。     

三维光弹性中预应力结构的应力冻结研究

本文提出用三维光弹性应力冻结法模拟分析预应力钢筋混凝土结构中的应力。通过模拟体与实体结构的相似性研究,给出了模型载荷比例系数Cq参数,通过参数合理的选取,有效的解决了应力冻结水平预测这一技术关键;用光弹性应力二次冻结法,将结构预应力和负载应力冻结在同一试件中;应分析精度对模型尺寸的要求,采用了精密浇铸的方法制作模型。此外,还研制了受力清晰明确的加载系统。对这些涉及应力冻结的若干关键问题结合工程实例进行探讨。实验应力分析结果与有限元数值法一致性较好。     

复合材料胶接结构有限元分析方法研究进展

胶接结构的强度分析方法可以分为解析法和数值法两类,数值法主要是有限元方法.本文综述了复合材料胶接结构的有限元分析方法,按照胶接结构有限元模型建立的物理机理,将胶接结构力学分析模型分为基于有限元应力分析模型、基于断裂力学模型和基于损伤力学模型3类.详细介绍了这3类模型中的主要有限元建模分析方法:三维应力分析方法、虚拟裂纹闭合技术方法和内聚力模型方法,介绍了每种方法的基本思想、适用范围、优缺点、改进和扩展、有限元建模的实施步骤,以及有限元分析中应用该方法所取得的成果.第五部分从适用范围、应力奇异和破坏判据3个方面对这几种分析模型进行了对比分析.最后,对该领域发展趋势进行了展望.      

复杂三维结构物的光弹性实验研究

应用光弹性原理和方法，根据有关相似原理，对研究对象的几何尺寸进行缩比、模型设计及加工成型．然后将模型在危险载荷作用下，进行应力冻结、切片及应力分析．确定了模型不同截面上的应力及其变化规律，为优化设计和调整数值计算方法提供了有价值的依据．     

采动过程中相似比变化影响因素分析及参数修正

采动作用下,相似模型设定的初始相似比会发生变化。为得到变化相似比的计算方法及影响因素,以相似材料及煤岩体仅发生弹塑性变形为前提条件,初步分析了这一阶段的应力、几何、渗透率相似比。研究表明,应力、几何、渗透率初始相似比在相似材料及煤岩体弹性变形阶段能够恒定不变的前提条件为:(1)泊松比相似比恒为1;(2)弹性模量相似比恒等于应力相似比。当模拟材料或实际煤岩体进入塑性阶段,或在弹性阶段不满足上述两条件时,需要依据公式修正相似比。同时开展采动渗透率变化相似材料模拟时,若要保证采动过程中渗透率相似比不变,在满足上述条件的基础上,还需要满足相似材料与实际煤岩体的初始孔隙度相等,否则需依据公式修正渗透率相似比。     

刚构连续梁桥墩梁固节点结构的光弹性试验及有限元分析

某铁路特大桥的主桥部分采用预应力混凝土刚构连续梁桥,本文采用光弹性模型冻结应力法对该刚构连续梁桥墩梁固节点结构进行了应力分析,给出了结构边界应力分布和主应力迹线。应用ANSYS软件对墩梁固节点实际结构进行了有限元计算。将实验与有限元分析结果进行了比较,结果表明,实验应力分析法与有限元数值法吻合较好。在有限元分析中,对墩梁固节点结构梁端加载边界的影响区进行了研究,通过合理选择梁的长度可以有效减小局部应力。模型实验和有限元计算的结果为结构的优化设计提供了重要的依据。     

泊松系数对用光弹性法确定应力强度因子的影响

光弹性法确定应力强度因子的概念是 G.RIrwin 在1950年提出的,之后,特别是七十年代以来,许多人进行了这方面的研究,使这一方法由最初提出的求解二维静态 K_1的方法发展成为能解决三维静态 K_Ⅰ,K_Ⅱ,K_Ⅲ和二维动态 K_1,K_Ⅱ的方法。由于工程上常见的复杂三维裂纹体的应力强度因子用计算方法求解的困难,三维光弹性确定应力强度因子的方法就更具有吸引力了。然而,在用三维光弹模型确定工程结构的应力强度因子时还存在一个不符合相似准则的     

三维双材料结构的应力奇异性分析

应用有限单元法子模型技术，对具有不同界面角的三维双材料结构的应力奇异性进行了分析。结果表明，应用子模型技术估算三维双材料结构的应力奇异性指数是有效的。然后分析了界面端线和界面端点处附近奇异性指数，得到了一些重要而有趣的结果。最后对消除三维双材料结构应力奇异性的几何条件进行了讨论。     

直线振动筛相似模拟动应力研究

对27m2大型直线振动筛的相似试验模型进行了动应力测试,得到了试验模型筛筛体梁、板关键点处的最大动应力应变值。根据量纲分析法和方程分析法推导的工作状态参数相似关系,通过对原型筛与缩小的相似试验模型筛的试验结果对比分析,验证了相似模型与原型试验数据的一致性及可靠性,证实了利用缩小的相似试验模型进行动态测试及分析的有效性。本文结果为提高直线振动筛的使用寿命及结构的优化设计提供了理论依据,也为相似试验模型的发展研究提供了参考。     

实验动态应变分析中的模态分析方法

近年来,振动结构模态分析方法广为普及,但多用于分析振动位移.关于在应力应变分析中如何应用模态分析技术问题,也开始成为工程师们关心的课题.运用应变模态分析法可通过实验直接建立应变(应力)响应的计算模型,这将使结构的     

壁湍流多尺度相干结构复涡黏模型的实验研究

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式.基于非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设.应用热线测速技术,在低速风洞中对湍流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位关系进行了实验测量.通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模型的合理性.     

月牙肋型岔管体形设计的结构分析

本文分析了国内外能源工程建成的百余个组合三通岔管结构,设计了四种典型月牙肋型岔管。通过大量电算成果,论证了三端自由岔管的均布内压力系平衡结构为优化体型。电算成果包括:变形、应力分布、应力集中系数和范围、不同泊松比的影响;且与光弹性试验结果一致。同时论证了钢模型电测法会使问题更加复杂化,且钢模型与原型是不相似的。     

轮胎破片冲击机身的非等比例相似模型研究

为降低机身结构抗冲击性能的实验成本,利用相似理论建立机身的非等比例缩放模型,开展模型实验是行之有效的方法。基于量纲分析的方法,建立Johnson-Cook线性应变率函数的修正关系;鉴于生产制造技术的限制,考虑扭曲厚度的非等比例机身模型对相似性行为的影响,采用指数函数法建立了非等比例模型的相似修正关系。通过对比实验中破片冲击过程的变形形态、靶板的应变时间历程曲线和最终变形轮廓,验证了数值模型的有效性。此外,分析了破片偏航姿态、机身材料、厚度和质量等因素对机身结构抗冲击性能的影响。结果表明:(1) 150 m/s的冲击速度下,破片冲击角度90o和着靶角度180o是最严苛的冲击条件。综合多种因素,分析认为3.5 mm厚的钛合金为机身结构的最佳选择,并以此作为全尺寸原型验证相似模型;另外,提出了一种可以快速获取缩比模型的设计方法。(2)应变率效应对轮胎破片冲击机身结构的影响并不显著,等比例缩放模型与原型结果吻合较好。(3)厚度扭曲的非等比例模型能够有效地预测原型结构的变形行为;虽然,在时间尺度上,模型与原型存在一定的偏差;但是,在空间尺度上,非等比例相似模型能够有效地修正扭曲厚度造成中心最大挠度的预测误差,修正后的最大误差不超过5.1%,这表明该方法能够有效地指导机身结构的相似模型设计。     

基于多因素的焊接结构疲劳裂纹扩展速率分析

以Donahue等提出的疲劳裂纹扩展速率计算模型为基础,通过引入形状系数、张开比和残余应力等参数,建立了适用于焊接结构的疲劳裂纹扩展速率计算模型,分析了多种因素对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响规律。结果表明,焊板厚度和焊缝余高的变化均会对焊接结构疲劳裂纹的扩展速率产生影响,在对焊接结构表面形状进行设计时应保有一定的焊缝余高;有效应力比的增大会降低焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且裂纹深度的变化不会改变有效应力比对焊接结构疲劳裂纹扩展速率的影响;残余应力的增大会提高焊接结构疲劳裂纹的扩展速率,且残余应力对疲劳裂纹扩展速率的促进作用随着裂纹深度的增加而增大,在对焊接结构的疲劳性能进行设计时须考虑残余应力对结构性能的影响。     

基于各向异性损伤本构模型的砌体结构抗震分析

进一步完善了应力张量的线性变换方法,并将其应用于砌体材料本构模型的开发。在整体式有限元模型中,因不区分砌块和砂浆而将其视为匀质的连续材料,难以用受拉和受压两个损伤变量准确描述灰缝的II型滑移破坏。为解决这一问题,提出应再引入一个针对II型滑移破坏的损伤变量。基于以上研究工作,对砌体结构的振动台试验进行了模拟。模拟结果进一步验证了本文提出的弹塑性损伤本构模型的有效性,以及在进行结构非线性分析方面的优越性。由于本文提出的本构模型能够较为真实地描述砌体墙的破坏模式,因此使用该模型进行结构非线性分析,除了能够获取结构的位移和应力等反应外,还能较为准确地实时提供结构中的损伤分布状态信息,找出结构的薄弱部位,并据此合理地设计结构或进行相应的结构修复。     

水平应力对顶板跨落角的影响及应用

为得到水平应力对顶板垮落角的影响,进而确定高位抽采钻孔布孔参数,采用理论分析及相似材料模拟实验的方法进行了研究。首先依据基本顶断裂位置围岩结构力学模型,将顶板岩层假设为梁结构,得到单一岩梁在不同水平应力作用下的断裂线位置变化规律。然后将各岩梁的断裂线位置叠加组合,得到水平应力对垮落角发育的影响。为验证理论分析结果,以水平应力值为影响因素设计了三组不同水平应力值条件下的双向加载相似材料模拟实验,得到了不同水平应力值对应的垮落角。研究结果表明:顶板垮落角由各岩梁断裂线位置决定。地基系数较小时,断裂线与地基初始接触位置距离随水平应力的增加表现为先减小后增加,垮落角变化规律同样为先减小后增加,但减小不明显;当地基系数增加时,随水平应力增加,断裂线与地基初始接触位置的距离减小趋势逐渐消除,仅表现为增加趋势,垮落角变化同样表现为增加趋势。现场应用表明,采用双向加载模型得到的垮落角对钻孔布置参数进行优化,优化后钻场抽采浓度及高浓度抽采时间均得到提高。