实验应力分析

用实验分析方法确定物体(例如工程构件)在受力情况下的应力状态的学科。在固体力学的各分支(如弹性力学塑性力学、断裂力学、复合材料力学等)中,都常用实验应力分析方法研究应力分布基本规律,为发展新理论提供依据。在工程领域内,它又是提高设计质量和进行失效分析的一种重要手段。有效地应用实验应力分析方法,不仅能提高工程结构的安全度和可靠性,还能减少材料消耗、降低生产成本和节约能源。

早在17世纪,人们将力学原理应用于工程问题时,就曾用简单的实验手段测定材料的力学性能,并阐明工程结构的某些力学特征。19世纪后期,虽然出现了较为灵敏的机械式应变测量装置,但在工程实用上,仍受到很大限制。20世纪30年代,粘贴式电阻应变计的出现,光弹性实验技术的进一步完善,以及其他实验技术的发展,使实验应力分析蓬勃发展起来,并得到广泛应用。

实验方法

实验应力分析方法目前已有电学的、光学的、声学的以及其他方法。

电学方法

有电阻、电容、电感等多种方法,而以电阻应变计测量技术的应用较为普遍,实际效果也较好。电阻应变计不仅可用于模型实验,而且可在机器运转的条件下进行应变及其他参量(如扭矩、压力等)的测量。利用无线电遥测技术,还可进行远距离的应变遥测(见应变遥测技术)。电容应变计可在高达 650℃以上的温度环境中,长期进行应变测量。此外,根据各种特殊的用途,还可制成相应的传感器和测力装置(见电阻应变计式传感器)。其中电感式传感器多用于位移的测量。

光学方法

这种方法发展较快,方式也较多,逐渐形成一门光测力学。经典的光弹性实验技术,已从二维、三维模型实验(见光弹性法,光弹性应力冻结法)发展成为能用于工业现场测量的光弹性贴片法,用来解决扭转和轴对称问题的光弹性散光法,研究应力波传播和热应力的动态光弹性法和热光弹性法,进行弹-塑性应力分析的光塑性法,以及研究复合材料力学的正交异性光弹性法。除了这些经典方法之外,还有下述一些方法。云纹法:此法已日趋完善,特别是用于大变形测量,效果尤为明显。全息干涉法散斑干涉法:60年代后期发展起来的新技术,在分析复杂构件的振型和振幅、测量物体的微小变形、对三维位移场的定量分析(见位移场全息干涉分析)以及测定含裂纹构件的应力强度因子等方面,都已取得一定的成效;在全息技术和散斑技术中应用脉冲激光,还可以研究应力波在固体中的传播。全息光弹性法:用此法可以同时获得等差线及等和线的数据,便于分离主应力,可以解决平面的应力分析问题。焦散线法:一种测量奇异变形的光学方法,可以测量裂纹尖端的塑性区和应力强度因子,也可以测量角隅区的应力奇异性和两物体间的接触应力等。

声学方法

(1)声弹性法:可用来测量焊接件的残余应力。

(2)声发射技术:可用来确定含裂纹试件的开裂和监测疲劳裂纹的扩展等。

(3)声全息术:可用来显示试件内部缺陷的形状和大小。

其他方法

脆性涂层法是应用较广泛的一种。一般先用它定性地(或粗略定量地)测出试件应力集中的区域和相应的主应力方向。如须作精确的定量分析,可在已测出的应力集中区域里,沿相应的主应力方向粘贴电阻应变计,作进一步的测量。若用X射线应力测定法,可以无损地直接测定试件表层的应力或残余应力。

如果两种(或两种以上)不同的物理现象,可用形式相同的数学方程来描述,则可采用比拟法,即通过观测其中一种物理现象来研究另一种物理现象。在实验应力分析中这类方法有薄膜比拟、电比拟、电阻网络比拟和沙堆比拟等。

模型和原型实验

应用上述方法进行工程构件的应力分析,往往利用模型或原型进行实验。对于新设计的复杂工程结构,要用模型作实验(见模型理论),校核该设计方案的可靠性,或选择较优的设计方案。在工程完成后,有时还须进行现场原型实验,验证模型实验的结果。此外,还可通过模型或原型实验,找出工程构件失效的原因,以便提出改进的方案。非金属材料制成的模型,在小载荷作用下容易变形,加上制造方便,可在同一个模型上修改原设计方案和重复进行实验,故通常采用这类材料(例如硬聚氯乙烯、有机玻璃、铝粉增强环氧树脂等工程塑料)制造模型。模型或原型实验往往采用多种实验应力分析方法相结合的测试方式。

发展趋势

实验应力分析的发展有如下特点:

(1)实验技术向广度和深度发展。就广度而言,例如,由于电阻应变计测量技术的广泛应用,所以,对于真空、高压、深冷、高温、静态和在数十万赫频率条件下的应变,都可获得有效的测量数据。就深度而言,开展宏观和微观相结合的实验研究,深入探索失效的机理和各种影响材料强度的因素的规律性。

(2)实验装备的自动化。在实验数据的采集、处理、分析和控制等方面,力图实现计算机化,如大型动载实验,已能做到实时的数据处理,大大缩短实验周期,及时提供准确的实验分析数据和图表。即使是多年来难以实现自动化的光弹性仪,也已出现多种光弹性自动测试装置的方案。

(3)随着电子计算机及有限元法和其他数值分析方法的应用,经典的应力分析正朝着实验和计算相结合、物理模型和数学模型相结合的方向发展。

参考书目
  1. 张如一、陆耀桢主编:《实验应力分析》,机械工业出版社,北京,1981。