云纹法测量位移-力学基础实验课件-中国科技大学-07分解.ppt

电测法的局限性：需要换能、接触式、局部（点）测量，无法得到全场信息、高频响应困难、抗干扰性能不好等。光测法正好可以弥补这些缺点：非接触、全场测量、频率特性好、抗电磁干扰。 本章介绍一种几何云纹法。 云纹是法文Moire’的译音，原意是波纹、水纹，指两块薄丝绸叠加时形成的花纹。日常生活中经常可以观察到云纹。例如透过两层尼龙蚊帐向明亮的背景看去就可以观察到黑白相间的条纹，就是云纹。可以这样描述：凡是由两组具有光栅结构的图象重叠在一起，由栅线的互相遮掩所形成的条纹就称为云纹。云纹法是一大类实验应力分析方法。 云纹法又叫莫尔条纹法、叠栅干涉法，由于这种云纹是由栅线的互相遮掩（几何干涉、机械干涉）所形成的故又称几何云纹。在位移、应变测量中十分有用。 1、栅的密率和方位 云纹法所用的基本元件是栅（栅片或栅板）。最常用的是直线型栅，它是由平行等距的黑线和透明线所组成。黑线称栅线，相邻两栅线的间距称为节距，节距的倒数是栅线密度（密率、空间频率），垂直于栅线的方向称为主方向。节距相等的栅称为等节栅；不相等的栅称为异节栅。用于实验应力分析的栅线密率在几---100线对/毫米（al/mm）。 2 、试件栅和参考栅 如果把两片等节栅重叠起来，让栅线完全重合，其结果和一片栅并无不同。但当两栅线有夹角或异节栅重叠时，则一个栅的栅线会遮挡另一栅的透明线，形成比栅线宽很多的暗带，在两个栅的透明线相重合的部分就形成亮带。这些亮带和暗带就是云纹。可见云纹和栅线的方位角及节距有关。因此，如果把一个栅片固定（粘贴或刻）在试件测试区（称为试件栅Specimen grating）；用另一相同的栅（称基准栅、参考栅Reference grating）与其重叠，当试件变形时，试件栅跟随变形，而基准栅不受力，不变形，两栅的方位或节距不再相同，就会产生云纹。这些云纹的位置、间距、转角与试件的变形有关，可以通过测量云纹求出试件的位移或应变。 云纹按所测试表面的位移是面内的还是离面的分为面内云纹和离面云纹两种。 云纹形成原理演示 平面云纹法用来测量试件平面内的位移分量，采用等间距平行线栅，一块粘贴或刻在试件表面，跟随试件变形，另一块参考栅不受力，两栅重叠在一起形成云纹。 一均匀拉伸（压缩）应变测量 平面平行云纹由于试件栅的节距变化而形成。 （1）转角云纹测正应变 将试件栅与拉伸或压缩方向互相垂直放置，基准栅与试件栅交叉放置，两栅栅线夹角为θ，两栅栅线交叉点连线形成亮带云纹，亮带之间为暗带云纹。试件变形前云纹为OA，试件拉伸变形后为OA1，设变形前两栅的节距均等于a,云纹与基准栅的栅线夹角为Φ，并令θ和Φ逆时针方向为正，顺时针方向为负（试件栅为基准） 从图中几何关系可得： 因此有： 代入前式得 ： θ为已知，只要测出Φ角，ε可求。与平行云纹不同的是，只要按上述的方向规定，求得应变正号为拉应变，负号为压应变。 如果两栅节矩不等，分别为a和b,则应变为： 剪切应变的定义， 在试件中原来相 交成直角的两线 段的夹角改变量 称为切应变。 图中γxy为θx和 θy角之和，θx 和 θy若使直角变小则为正，反之为负。云纹法是先将θx和 θy分别测出，然后求得切应变γxy 平面应变场同时有εx、εy、 γxy ，测量方法也分两步进 行，第一步将基准栅与试件 栅栅线平行于x方向放置， εx仅引起栅线伸长或缩短， θy仅使试件栅沿 x方向移动 因而对云纹没有影响。θx使试件栅栅线转动θx角，εy 使试件栅节距（条纹密度方向）发生变化，所以云纹只反映了θx和εy的值。设两栅变形前节距为a，变形后试件栅节距变为a’, θx和εy都远小于1，则从图可得： 从图得： 代入上式： 简化后得： 因为θx角很小所以有 移项后得： 式中hy为云纹沿y方向的间 距，a为已知，因此测得hy 便可求出εy。 第二步将基准栅与试件栅栅 线平行于y方向放置，同理可得 式中fy为云纹沿y方向的间距， hx 为云纹沿x方向的间距。归纳以上结果得： a为已知，因此只要测得hx hy fx fy的值便可求出εx、εy、γxy 若平面应变场中各点应变不相同， 是非均匀应变场，云纹成为一组 曲线族，用上面公式计算所得应 变即为云纹间距内的平均应变。 间距越小，应变测量越精细，但 云纹间距太小会引起测量困难， 测量精度差。因此云纹的间距要大小合适。 根据平行云纹公式 ε＝a/f 如果选定云