一种应力测量方法及应力测量光路装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种应力测量方法，包括以下步骤：(1)设置由单一光弹材料制成的试样主体及其镀层结构；(2)对应力测量光路装置进行布置；(3)启动光源；通过设置的布置光路，使散斑涂层经多次折射后与反射光弹图纹同轴入射图像采集单元；(4)启动图像采集设备，获取试样两侧同一瞬时的散斑图像和光弹图像；(5)联合求解光弹实验和数字图像相关实验结果，得到图像任意像素点的应力分量。本发明专利技术还公开了实施该方法的应力测量光路装置。本发明专利技术通过在试样两侧同时进行光弹方法和数字图像相关方法获取试样全场的应力差和应变值，其可以用于载荷不对称的试样，使测量的适用性大大增强。

A method of stress measurement and its optical device

【技术实现步骤摘要】
一种应力测量方法及应力测量光路装置
本专利技术涉及应力测量
，特别涉及一种光弹法和数字图像相关法并行的应力测量方法及应力测量光路装置。
技术介绍
光弹应力分离方法包括数值法、实验方法和混合法等三大类，数值法主要是剪应力差及基于LAME-MAXWELL方程的应力分离法、解补偿方程法；实验方法有：钻孔法、斜射法、条带法和条纹涂层法及划线法；混合法主要是基于求等和线法的各类方法与及光弹-红外热成像法和近期出现的光弹-数字图像相关法。剪应力差法的初始应力计算值由自由边界开始，通过数值计算模型中个点的应力值，如果初始值取值与实际值存在较大的误差，例如模型边界如果经过机械加工常常存在残余应力，并且等倾角的计算常常存在一定的误差，则应力分离误差经过计算不断累积、增大，可能对最终的计算结果的精确度有较大影响。基于LAME-MAXWELL方程的应力分离法的缺点在于计算的前提是应力迹线必须正确，否则错误判断的应力迹线会极大影响应力分离的计算结果。解补偿方程法实际上属于实验-数值混合方法，除了简单边界条件的问题，大部分的应用情况下需要通过有限差分或者有限元分析的办法来进行数值计算求解拉普拉斯方程，此法的问题在于，复杂的试样或者受复杂力试样的边界条件常常是很难获取的。实验方法中的钻孔方法通过在光弹试样中钻孔，引入一个人为的自由边界，由于自由边界在二维问题中即为单向应力状态，因此可以直接由引入孔后的光弹条纹级数判断边界的应力大小。而钻孔法的最大缺点在于此方法需要大量的时间对测量点进行逐点的应力计算。斜射法中偏振光与光弹试样的表面成一定角度入射模型，由正常入射光得到的光弹等差线级数与斜射入射光得到的光弹等差线条纹级数，可以计算出每点的主应力值。斜射法的主要问题在于实际操作的精度有限，对于试样边缘受模型的折射影响及边缘效应经过光学放大的影响，实际的应力分离效果不太理想。条带涂层方法采用的光弹涂层由多条平行的条纹相互紧靠着附着于模型表面，由于各条条纹互相之间只是接触，条纹涂层的厚度较薄而不足以传递横向应力，因此条纹只对纵向的应力产生光弹效应，而对横向的应变几乎不产生光弹效应；通过对模型进行两次实验，一次在模型的表面附着连续的光弹涂层，通过常规的反射光弹法获取光弹图纹，另一次实验则在模型表面附着光弹条纹涂层，获取只有沿着条纹纵向方向应力的光弹图纹。通过对两次获得的图纹进行条纹的对比分析，可以获取整个模型的应力状态，因此该方法是属于对全场应力进行分离的方法。条带法的缺点在于条纹的宽度受到加工水平的限制，另外条带虽然是紧密互相靠近的，但是微观上是存在间隙的，近似于沿着加工方向存在较大的表面粗糙度，因此对精密的零件实际上也难以应用。应变计方法通常应用于较大尺寸的零件中的某点主应力的分离。应变计方法是将应变计直接固定在需要进行应力分离的点上，从而直接获得该点的主应变和，与通过光弹性方法获得的应变差组成方程组，即可以进行应力的分离。这种方法只能逐点地对模型进行测量，因此在目前主流应力分析着重于全场应力分离的研究环境下，并不是理想的应力分离方法。划线分离法是在反射光弹法所使用的光弹涂层中，沿着某一主应力方向，通过划线的方式，在光弹涂层中创造一种单向的应力状态，由于需要通过在涂层中划线，通常是通过人工方式利用特制的尖锐工具进行操作，对模型有局部的破坏，对于精密的模型边界，也难以进行操作。通过测量模型的厚度改变(侧向的应变)可以提供多一组方程用于主应力的分离。通过采用应变片、测微仪或者光学测量方法等测量手段，可以测量模型受载后的侧向应变，但是这些测量方法都是逐点测量，就目前来说，若要对模型进行全场的应变测量，最常用的仍是采用光学干涉法，这些方法虽然能对光弹实验结果进行主应力的分离计算，但是均要求模型具有极高的表面光洁度，而这恰恰是常用的光弹材料制成的模型很难达到的，因为光弹实验模型通常采用成品板进行机械加工，或者用环氧树脂进行浇注成型，除非经过专门的抛光处理，这两种方式都很难获得光学级别的表面光洁度。通过光弹性方法测量二维试样时，通常只通过光弹材料来制作试样，并将试样放置在偏振光场中，获得受力试样的光弹图像，进而进行试样的受力分析。所获得的光弹图纹提供的是等差线的级数，代表的是主应力差，如果能通过某种方式获得主应力和，则能顺利分离主应力。由于单凭光弹实验，只能获得主应力差值，而无法直接获得主应力的具体数值，因此还需结合其他方法来获得主应力数值。应用红外热成像技术进行应力的分离是在高速和高精度的红外热成像仪得到应用后才出现的。弹性体在循环应力的作用下，会发生相应的温度变化，而微小的温度变化与弹性体的主应力和相关。因此通过热成像仪测量出弹性体在循环应力作用下的温度变化后，即可计算出对应的循环主应力和的大小。而获得主应力和后则可以用于结合由光弹实验获得的主应力差，进行主应力的分离。基于热成像技术的应力分析优点在于获得的实验结果是全场、非接触的、在线的，对实验试样外表面加工要求低，实验结果直接与实验表面的温度变化相关，该方法的缺点在于需要昂贵的热应力分析系统，及需要对实验施加一定频率的循环载荷。数字散斑方法通过在试样表面贴附或制作散斑图像，实验后再将该图像与实验前的图像进行相关运算，从而求得两幅图中各点在实验前后的微小位移，从而求得试样上感兴趣点的微小位移。李斌、杨国标提出了通过结合光弹性方法与数字散斑相关进行光弹条纹次主应力的分解。他们提出的方法是实验光路为透视光弹光路，在透视光路的CCD摄像头一侧采用光源照射光弹模型，实验可以同时采集光弹图像和数字散斑图像。所采用的实验模型由透明环氧树脂材料板材加工制作，以长度方向的中心线为界线，实验模型一半部分进行人工二次喷漆制作散斑图纹，实验模型的另一半部分保留为透明。实验支承采用材料力学实验常用的三点弯曲简支梁形式，加载点位于试样左右对称轴线的上方。分别读取左右两侧的实验数据，左侧进行数字散斑相关计算，右侧进行光弹级数的读取。但是分析该实验误差来源，可以发现，尽管实验假设两边的载荷均匀分布，这是合理的，但是实际上要求实验前在模型上制作的散斑图案与光弹部分的边界线与模型的形状垂直平分线重合，否则容易产生误差。现有由李斌、杨国标提出的光弹性和数字散斑混合二维应力测量方法，需要在试样的表面找出中间分界线，分界线与光弹法的光轴垂直，分界线两侧分别制作光弹性涂层和数字散斑涂层；或者用光弹性材料制作试样，然后在试样的中间分界线一侧数字散斑涂层，通过光弹法获得的主应力差和数字散斑法获得的应变值从而获得全场的应变分量，现有方法的主要缺陷在于：(1)需要在试样的表面找出试样的中间分界线，在分界线两侧分别获取光弹图像和散斑图像，分界线的划分是否准确会影响计算的准确度；(2)只能用于分界线两侧载荷以分界线为对称轴对称的载荷情形，不能用于分界线两侧载荷不对称情形，适用性受限。
技术实现思路
本专利技术目的在于，针对现有技术的上述不足，提供一种应力测量方法及应力测量光路装置，通过在试样两侧同时进行光弹方法和数字相关方法获取试样全场的应力差和应变值，结合试样两侧分别获取的应力差和应变值，获得全场的应力分量，由于其不需要以试样中间分界本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应力测量方法，其特征在于，通过光弹法和数字图像相关法并行进行应力测量，包括以下步骤：/n(1)设置由单一光弹材料制成的光弹材料试样主体，试样主体外侧设置有镀层结构，所述的镀层结构包括试样主体一侧镀有的反射涂层以及设置于所述反射涂层外的散斑图纹；上述的反射涂层可以反射图像，当进行应力测量时，反射涂层将经过光弹试样后的图像反射，进行反射光弹实验可以获得一侧的主应力差；/n(2)设置一应力测量光路装置，其包括试样，散斑方法光源，反射镜，支撑加载机构，起偏镜，检偏镜，偏光光源以及图像采集单元，还包括准直镜；其中，试样设置于支撑加载机构上，准直镜设置于试样的上端；其中的散斑方法光源及反射镜设置于试样的一侧，散斑方法光源呈倾斜角度指向试样，所述反射镜包括第一反射镜及第二反射镜，第一反射镜及第二反射镜互成角度，其中的起偏镜，检偏镜，偏光光源以及图像采集单元设置于试样的另一侧，所述起偏镜设置于偏光光源的前端，所述检偏镜设置于图像采集单元的前端；/n(3)启动散斑方法光源及偏光光源，散斑方法光源发射的光经过试样、反射镜、准直镜以及检偏镜折射或反射后入射图像采集单元；偏光光源发射的光经过起偏镜、试样以及检偏镜折射或反射后入射图像采集单元；通过设置的布置光路，使散斑涂层经多次折射后与反射光弹图纹同轴入射图像采集单元；/n(4)启动图像采集设备，图像采集设备在单一图像采集单元的一张照片中获取试样两侧同一瞬时的散斑图像和光弹图像；/n(5)根据所获得的试样两侧同一瞬时的散斑图像和光弹图像，联合求解光弹实验和数字图像相关的实验结果，即得到图像任意像素点的应力分量。/n...

【技术特征摘要】
1.一种应力测量方法，其特征在于，通过光弹法和数字图像相关法并行进行应力测量，包括以下步骤：
(1)设置由单一光弹材料制成的光弹材料试样主体，试样主体外侧设置有镀层结构，所述的镀层结构包括试样主体一侧镀有的反射涂层以及设置于所述反射涂层外的散斑图纹；上述的反射涂层可以反射图像，当进行应力测量时，反射涂层将经过光弹试样后的图像反射，进行反射光弹实验可以获得一侧的主应力差；
(2)设置一应力测量光路装置，其包括试样，散斑方法光源，反射镜，支撑加载机构，起偏镜，检偏镜，偏光光源以及图像采集单元，还包括准直镜；其中，试样设置于支撑加载机构上，准直镜设置于试样的上端；其中的散斑方法光源及反射镜设置于试样的一侧，散斑方法光源呈倾斜角度指向试样，所述反射镜包括第一反射镜及第二反射镜，第一反射镜及第二反射镜互成角度，其中的起偏镜，检偏镜，偏光光源以及图像采集单元设置于试样的另一侧，所述起偏镜设置于偏光光源的前端，所述检偏镜设置于图像采集单元的前端；
(3)启动散斑方法光源及偏光光源，散斑方法光源发射的光经过试样、反射镜、准直镜以及检偏镜折射或反射后入射图像采集单元；偏光光源发射的光经过起偏镜、试样以及检偏镜折射或反射后入射图像采集单元；通过设置的布置光路，使散斑涂层经多次折射后与反射光弹图纹同轴入射图像采集单元；
(4)启动图像采集设备，图像采集设备在单一图像采集单元的一张照片中获取试样两侧同一瞬时的散斑图像和光弹图像；
(5)根据所获得的试样两侧同一瞬时的散斑图像和光弹图像，联合求解光弹实验和数字图像相关的实验结果，即得到图像任意像素点的应力分量。


2.一种应力测量方法，其特征在于，通过光弹法和数字图像相关法并行进行应力测量，其还包括以下步骤：
(1)设置由以金属或非金属材料为主制成的非光弹材料试样主体，该非光弹材料试样主体的一侧表面通过打磨、喷漆或磨砂、喷砂工艺加工形成散斑图纹，其另一侧设置有镜面或镀反射层，镜面或反射层外侧还设置有光弹性材料层；
(2)设置一应力测量光路装置，其包括试样，散斑方法光源，反射镜，支撑加载机构，起偏镜，检偏镜，偏光光源以及图像采集单元，还包括准直镜；其中，试样设置于支撑加载机构上，准直镜设置于试样的上端；其中的散斑方法光源及反射镜设置于试样的一侧，散斑方法光源呈倾斜角度指向试样，所述反射镜包括第一反射镜及第二反射镜，第一反射镜及第二反射镜互成角度，其中的起偏镜，检偏镜，偏光光源以及图像采集单元设置于试样的另一侧，所述起偏镜设置于偏光光源的前端，所述检偏镜设置于图像采集单元的前端；
(3)启动散斑方法光源及偏光光源，散斑方法光源发射的光经过试样、反射镜、准直镜以及检偏镜折射或反射后入射图像采集单元；偏光光源发射的光经过起偏镜、试样以及检偏镜折射或反射后入射图像采集单元；通过设置的布置光路，使散斑涂层经多次折射后与反射光弹图纹同轴入射图像采集单元；
(4)启动图像采集设备，图像采集设备在单一图像采集单元的一张照片中获取试样两侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：何军，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44