Поляризационно-оптический метод исследования напряжений, метод фотоупругости. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Поляризационно-оптический метод исследования напряжений, метод фотоупругости - экспериментальный метод исследования напряжённо-деформированного состояния элементов машин и конструкций на прозрачных моделях из оптически чувствительных материалов. Метод основан на искусственном временном двулучепреломлении - свойстве большинства прозрачных изотропных материалов (стекла, целлулоида, желатина, пластмасс) под действием нагрузки становиться оптически анизотропным. Оптич. анизотропию среды можно полностью охарактеризовать эллипсоидом показателей преломления.

Три главных показателя преломления n₁, n₂, n₃ образуют три полуоси эллипсоида, направления к-рых совпадают с направлениями гл. осей тензора напряжений s₁, s₂, s₃:

где

- коэф. преломления напряжённого тела,

- оптич. коэф., характеризующие для данного материала зависимости между двойным лучепреломлением и напряжённым состоянием.

В пластинке, нагруженной в своей плоскости, напряжение s₃, направленное нормально к ней, равно нулю. При этом одна из гл. плоскостей оптич. симметрии совпадает с её плоскостью. Для света, падающего перпендикулярно к плоскости пластинки, ур-ния (1) принимают вид

Относит, оптич. разность хода

или

- ур-ние Вертгейма, к-рое является основным при решении плоских задач оптич. методом (d - толщина пластинки, С - относит. оптич. коэф. напряжений).

Рис. 1. Схема полярископа; D - диафрагма, Е - экран.

Оптич. свойства нагруженной пластинки определяют при просвечивании её в полярископе. Различают круговые и линейные (плоские) полярископы. Круговой полярископ (рис. 1) включает: источник света S (монохроматический - газоразрядные лампы со светофильтрами или источники белого света - лампы накаливания); поляризатор Р, после прохождения к-рого свет становится линейно поляризованным; пластинку в четверть длины волны

преобразующую линейно поляризованный свет в свет, поляризованный по кругу; систему линз, дающую параллельный пучок света; компенсирующую пластинку в четверть длины волны

по прохождении через к-рую снова получаем линейно поляризованный свет; анализатор А, пропускающий свет только с одним направлением колебаний светового век-

тора; систему линз, проектирующую изображение на экран. В пространстве между пластинками в четверть длины волны (рабочее поле кругового полярископа) имеем параллельный пучок света, поляризованного по кругу. Если в круговом полярископе убрать пластинки в четверть длины волны, то в рабочем поле получим параллельный пучок линейно поляризованного света, т. е. плоский полярископ. Интенсивность освещённости экрана кругового полярископа с монохроматич. источником света

где

- интенсивность света, вышедшего из поляризатора,

- длина волны источника света. В точках интерференц. изображения пластинки (нагруженной модели), в к-рых

наблюдается погашение света, в точках, где

- макс. освещённость. На изображении модели (рис. 2) получаются светлые и тёмные полосы разных порядков

Рис. 2. Картина полос при растягивании пластинки с круглым отверстием.

т (картина полос). Точки, лежащие на одной полосе, имеют одинаковую разность гл. напряжений:

Здесь

- цена полосы модели, т. е. величина разности гл. напряжений в модели, вызывающих разность хода

Цена полосы

и относит. оптич. коэф. С характеризуют оптич. чувствительность материала и являются постоянными при пост. температуре

при одинаковых d p l).

Для определения направления гл. напряжений

модель помещают в линейный полярископ. Интенсивность освещённости экрана линейного полярископа с пластинкой в рабочем поле рассчитывается по ф-ле

где

- угол между направлением плоскости колебаний светового вектора луча, вышедшего из поляризатора, и направлением одного из гл. напряжений -

пли

При

= 0 пли

(плоскость пропускания поляризатора совпадает с направлением

или

) экран затемнён независимо от величины D. Т. о. в тёмных точках на интерференц. изображении модели направление

или

совпадает с плоскостью пропускания поляризатора. Поскольку направление

меняется непрерывно, точки с одинаковыми направлениями

лежат на непрерывных тёмных линиях - т. н. изоклинах. При синхронном повороте скрещенных поляризатора и анализатора изоклины меняют своё положение. Поэтому можно построить поле изоклин для разл. углов

наклона поляризатора к горизонтальной оси.

Описанный метод определения разности

наз. методом полос и является более простым, но менее точным по сравнению с методами компенсации, где для измерения D используются клиновые, поворотные, ме-ханич. компенсаторы, а также способы гониометрич, компенсации. Т. о., чисто оптич. измерениями можно определить разность гл. напряжений

и их направление. В случаях, когда необходимо знать все три компонента тензора напряжений в отдельности, применяются разл. методы разделения нормальных напряжений: численные, графические и экспериментальные.

Оптически чувствительные материалы, применяемые для изготовления моделей, должны иметь высокую прозрачность, оптич. и механич. изотропию, стабильные оптико-механич. характеристики и необходимую прочность. Их можно разделить на три группы: стёкла, полимеры, прозрачные металлы - галлоиды серебра, таллид и их сплавы - материалы кристаллич. строения.

П--о. м. применяется также для решения объёмных задач. При этом измерения оптич. величин, связанных с напряжениями [ур-нпя (1)], необходимо проводить по толщине объёмной модели, что крайне трудно, а часто практически невозможно. Поэтому для решения объёмных задач существуют методы: "замораживания" деформаций с последующей распиловкой модели на тонкие срезы, оптически чувствительных вклеек, рассеянного света, интегральной фотоупругости. Эти методы позволяют определять напряжения внутри модели. Наиб. распространение получил метод "замораживания".

Исследования проводят на трёхмерных моделях из полимерных материалов, имеющих сетчатую структуру (напр., отверждённые эпоксидные смолы и др.), к-рые при комнатной температуре находятся в стеклообразном, а при повышенной

- в высокоэлас-тич. состоянии. В высокоэластич. состоянии полимер деформируется упруго. Если нагретую модель из такого материала нагрузить, а затем охладить под нагрузкой, то упругие высокоэластич. деформации и обусловленная ими оптич. анизотропия сохранятся при снятии нагрузки и при разрезке модели на тонкие пластинки (срезы). Оптич. анизотропию в срезах (относит. разность хода D и направления плоскостей поляризации лучей) измеряют в полярископах описанными способами и определяют величину разности псевдоглавных напряжений и их направления в плоскости среза:

Если срез совпадает с плоскостью

- макс. и мин. напряжения на площадках, перпендикулярных плоскости среза, d - толщина среза, С_T - относит. оптич. коэф. материала при температуре высокоэластич. состояния. Просвечивание трёх взаимно перпендикулярных срезов (или одного в трёх направлениях) позволяет определить три разности нормальных напряжений -

и три касат. напряжения в выбранной системе координат.

П--о. м. применяется к исследованию ряда др. задач механики твёрдого деформиров. тела. Фотопластичность - способ исследования упругопластич. задач на прозрачных моделях П--о. м. Наиб. применение нашли целлулоид, полистирол, поликарбонат, прозрачные металлы. Напр., поликарбонат имеет диаграмму растяжения, характерную для поли-кристаллич. материалов. В зоне упругих деформаций наблюдается линейная связь между двойным лучепреломлением и напряжениями, в пластической - эта зависимость имеет более сложный вид, определяемый тарировкой материала.

Фотоползучесть - исследование задач ползучести на прозрачных моделях. Этот способ развивается в двух направлениях: прямое моделирование, когда изучаются модели, материал к-рых обладает реологич.

свойствами, подобными свойствам материала натурных объектов; косвенное моделирование, когда задача решается на основе методов упругих аналогий.

Фототермоупругость - применение П--о. м. для изучения термоупругих напряжений. Разработан ряд способов. Наиболее распространено исследование тепловых напряжений на прозрачных нагреваемых пли охлаждаемых моделях (геометрически подобных), в к-рых создаются температурные поля, подобные натуре. Эффективным является метод "замораживания - размораживания" деформаций. Плоская или объёмная модель составляется как монолитная склейка элементов из оптически чувствительного материала, в к-рых предварительно созданы и заморожены деформации, соответствующие свободным тепловым перемещениям. Нагрев склеенной модели приводит к "размораживанию" деформаций и установлению искомого напряжённого состояния, фиксируемого затем путём охлаждения модели.

Разработаны также способы фиксации оптпч. анизотропии, вызванной тепловыми напряжениями, при облучении моделей g-лучами. Это позволяет моделировать задачи пространственной термоупругости (метод радиац. фототермоупругости). Применение скоростных кинокамер и синхронизирующих устройств, согласующих во времени динамич. нагружение моделей и съёмку картин полос, вызванных упругими волнами, лежит в основе динамич. фотоупругости.

Достаточно полно разработано применение П--о. м. для исследования сварочных напряжений. Т. к. перечисленные способы исследования ведутся на прозрачных моделях, то всегда необходимо решать вопросы выбора параметров модели и перехода к соответствующим величинам натурного объекта (оригинала). Теория подобия в П--о. м. достаточно хорошо разработана.

К П--о. м. относится также метод оптически чувствительных покрытий, согласно к-рому на поверхность исследуемого объекта наносится тонкий слой оптически чувствительного материала. Деформации исследуемой поверхности будут полностью совпадать с деформациями покрытия, определение к-рых осуществляется П--о. м. В этом случае применяются отражат. полярископы. Метод позволяет исследовать упруго-пластич. деформации, процессы разрушения и ползучести, деформации в микрообластях. Может использоваться не только в лабораториях, но и в промышленных и полевых условиях, на моделях и реальных конструкциях.

Литература по поляризационно-оптическим методам исследования напряжений (методам фотоупругости)

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.