《扭转变形》课件.ppt

*************************************7.3光弹性测量法原理介绍光弹性测量法基于某些透明材料在受力时产生临时双折射现象的原理。当偏振光通过受力的透明模型时，会分解为沿主应力方向的两个分量，这两个分量传播速度不同，导致相位差，从而产生干涉条纹。这些条纹直观地反映了构件内部的应力分布情况。测量系统典型的光弹性测量系统包括光源、偏振器、透明模型、检偏器和观测装置。在扭转实验中，通常使用环形偏振光以获得等差线条纹，这些条纹直接对应于主应力差的等值线。通过分析条纹的密度、形状和顺序，可以定量确定应力分布。应用范围光弹性法特别适用于复杂几何形状构件的应力分析，如缺口、孔洞、截面突变等应力集中区域。它可用于验证理论分析结果、确定危险截面位置和评估设计方案。不过，该方法主要用于实验室研究，在实际工程构件上直接应用较少。光弹性测量具有全场可视化、直观明了的优点，能够同时观察整个构件的应力分布。特别是对于非圆截面的扭转问题，光弹性法可以清晰显示应力集中区域和应力流线，为理论分析提供参考。此外，通过三维光弹性技术和光弹性涂层法，还可以研究实际构件的表面应力状态。现代光弹性技术结合数字图像处理和自动分析软件，已发展成为半自动化或全自动化的测量系统，大大提高了分析效率和精度。虽然随着有限元分析的普及，光弹性法在工程应用中的重要性有所降低，但在教学、科研和特殊应用领域仍有其不可替代的价值。7.4数字图像相关法（DIC）基本原理数字图像相关法是一种非接触式全场变形测量技术，通过对比变形前后构件表面的随机斑点图案，计算出表面各点的位移和应变场。该方法需要在试样表面制作随机斑点（通常喷涂黑白相间的斑点图案），然后用高分辨率相机记录变形过程中的图像序列。数据处理过程DIC数据处理主要包括图像采集、小区域匹配和变形场计算三个步骤。系统通过跟踪斑点图案在变形过程中的移动来确定各点的位移矢量，然后计算位移梯度得到应变场。对于扭转变形，可直接获得表面的剪切应变分布，进而计算剪切应力。技术优势与传统测量方法相比，DIC具有非接触、全场测量、高分辨率和适应复杂表面等优点。它不需要在构件上安装传感器，不影响构件的力学性能，且可测量范围从微米级到米级不等。对于扭转变形，DIC能够准确捕捉非均匀变形和局部应变集中现象。局限性DIC技术也存在一些局限：首先，需要构件表面具有良好的斑点对比度；其次，只能测量表面变形，无法获取内部信息；再次，对光照条件、相机稳定性和校准精度有较高要求；最后，大量图像数据的处理需要较高的计算性能。数字图像相关法在扭转实验中的应用日益广泛，特别适合分析复杂几何形状、非均质材料或大变形问题。通过三维DIC系统（使用两台或多台相机），还可以测量构件的三维变形场，克服了传统平面测量的局限性。随着高速相机技术的发展，DIC还可用于动态和冲击扭转实验，捕捉瞬态变形过程。第八章：扭转变形的数值模拟有限元模型建立构建几何模型、划分合适网格、定义单元类型2边界条件设置施加约束、定义载荷、设置接触条件材料属性定义建立材料模型、输入材料参数、定义本构关系结果分析与验证后处理计算结果、与理论和实验对比、优化设计方案数值模拟是研究复杂扭转问题的强大工具，特别是在解析解难以获得或实验测试成本高昂的情况下。本章将介绍扭转变形的数值模拟方法，重点讨论有限元分析技术。通过数值模拟，我们可以预测构件在各种工况下的力学行为，为设计优化提供依据。随着计算机硬件和软件的发展，数值模拟已成为工程分析不可或缺的一部分。现代有限元软件提供了友好的用户界面和强大的分析功能，使工程师能够高效地解决包括扭转在内的各种复杂问题。8.1有限元分析基础模型建立有限元分析的第一步是建立准确的几何模型。对于扭转问题，可以根据实际构件的尺寸和形状，使用CAD软件创建三维模型。在建模过程中，需要考虑是否简化某些特征以提高计算效率。例如，对于具有对称性的构件，可以只建立部分模型并应用对称边界条件。对于复杂的工程构件，通常需要进行几何清理，如修复小面、消除小圆角和填补孔洞等，以避免后续网格划分中出现问题。在某些情况下，特别是对于薄壁结构，也可以考虑使用壳单元建模，以降低计算量。网格划分网格质量直接影响分析结果的准确性。对于扭转问题，通常采用以下准则进行网格划分：在应力梯度大的区域（如截面突变处、加载点、支撑点）使用更细的网格确保单元形状规则，避免高度扭曲的单元对于线弹性分析，四面体或六面体单元通常足够；对于大变形或塑性分析，推荐使用高阶单元进行网格收敛性研究，确定合适的网格密度单元类型选择扭转分析常用的单元类型包括：实体单元：