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第四章光弹材料与模型

（PhotoelasticMaterialsandModeling）

学习内容光弹性材料的要求（敏感性、典型光弹性材料）；材料条纹值的测定；光弹性板材模型制作工艺——环氧树脂板；光弹性制模的未来发展；光弹性材料的冻结性能；??应力冻结、冻结临界温度??冻结温度的测定——热光曲线??冻结机制光弹性材料的负效应；三维光弹性：主应力和次主应力；简单地讲，材料必须满足下列要求：5.1理想光弹性材料应具备的条件简单地讲，材料必须满足下列要求：1．材料必须透明、均质，在未受力前是各向同性的，受力后具有暂时双折射的效果；2．材料的光学灵敏度高，质量系数较大，能形成清晰的条纹图案；3．初应力及残余应力小，且易于消除；4．力学蠕变和光学蠕变效应小，这在一定荷载作用下，条纹几乎不随时间而增加，时间、边缘效应很小；5．应力与应变，应力与条纹级数都有线性关系，且比例极限高；6．制造过程简易，易于机械加工成各种形状，价格低廉；7．尽可能满足各种实验的要求，例如变弹模，耐高温性能，光弹性特点，等等。5.2材料配方制造光弹性模型的材料主要是环氧树脂。目前国内普通生产的环氧树脂，常用型号有#618、#6101、#634，都是液态。其中以#618最佳，色浅黄，流动性好。固化剂的作用是使用环氧树脂固化成型。常用的高温固化剂是顺丁烯二酸酐（苹果酸酐）。这是一种白色晶体，具有刺激性，能升华，易受潮。酸酐做固化剂，在控制温度下固化，为了改善材料的机械加工性能，可适当加入一些增塑剂邻苯二甲酸二丁酯。这是一种透明油状液体。具体配方如下：(按重量比)环氧树脂:顺丁烯二酸酐:邻苯二甲酸二丁酯=100:（30~35）:（0~5）如果需要加速固化，可加入千分之0.6二甲基苯胺。环氧树脂与酸酐的比例关系由下式确定：环氧树脂:酸酐=100:环氧值×酸酐分子量×K环氧值、酸酐分子量在产品中都有标明，K=0.7~0.85，由材料的体积可算出重量(环氧树脂比重为1.25)。再按上述比例分别计算出各种原料的重量。为了改变环氧树脂E值，可以通过改变邻苯二甲酸二丁酯或顺丁烯二酸酐的含量和温度控制过程来实现。5.3材料条纹值的测定§5.4光弹性板材模型制作工艺

制备混合液：根据要浇制板材的体积，估算出板材的重量（密度为1.28kg/m3），在根据配比计算出每一种成分的用量；将称好的原料各放入一个容器中，放置在烘箱中加温到70-78℃，直到固化剂熔化为白色透明液体；保持温度在60-70℃，搅拌环氧树脂液体的同时缓慢倒入熔化的固化剂，搅拌时间1-2小时；两块玻璃表面用水洗净，干后用丙酮去油腻，然后将两块玻璃叠起来，其间用橡皮管围住三边，另一空边作为浇注入口和气泡出口；再用细长铁条固定玻璃，调节玻璃间成合适的厚度间距；为了避免环氧树脂与玻璃之间的粘连，倒入脱模剂（甲苯-聚苯乙烯10：1，有毒）后倒放模具1个小时，此时甲苯完全挥发，在玻璃表面留下一层聚苯乙烯薄膜；这样反复两次，薄膜具有一定厚度，起到脱模的作用；因为甲苯-聚苯乙烯溶液有毒，可采用硅脂来代替；12制作模具??将模具放入40-50℃烘箱预热2小时后取出，将搅拌好的环氧树脂溶液倒入模具中，放入烘箱内进行固化，最高固化温度为90℃；??恒温24小时后固化为板材，取出拆模，将环氧树脂板放置在玻璃上再次放进90℃烘箱内12小时，之后按5℃/小时降温至60℃，切断电源自然降温，这样处理后的板材基本无初应力，即可制作各种形状的平面模型了；固化：玻璃板模具预热(45℃,2h)→注配料→固化(90℃,24h)→拆模→固化(90℃,12h)→降温(5℃/h,6h,60℃)→自然降温→成型加工→退火处理；123浇注、固化、机械加工和退火固化温度曲线和退火处理??固化温度曲线见图所示。??材料成型和机械加工等原因，若模型内出现初应力，可进行退火处理，见图所示。〉42h〉20h5.5光弹性制模的未来发展应力冻结：将受载环氧树脂模型放在烘箱内缓慢升温，在载荷不变的情况下，条纹级数随温度升高而增加，当温度达到一定程度后，条纹级数达到最高值；降温后卸载，由该载荷产生的应力条纹在卸载后仍保留在模型中，可以进行机械加工而不受影响；模型内这种被保留的条纹称为“冻结应力”。材料在一定温度下能保留应力的特性称为“冻结性能”，使应力冻结的最低温度称为材料的“临界冻结温度