全書分成七章，內(nèi)容包括：光彈性模型材料配制、模具制作、澆鑄和固化方法；光彈性模型的機(jī)加工方法、光彈性材料性能及其測定方法；機(jī)械載荷作用下光彈性模型凍結(jié)應(yīng)力分析；氣壓載荷作用下光彈性模型凍結(jié)應(yīng)力分析；自重和離心力載荷作用下光彈性模型凍結(jié)應(yīng)力分析；撞擊和交變載荷作用下光彈性應(yīng)力分析；三維光彈性模型的形狀和承載具有某些特殊性問題等內(nèi)容。
光彈性實(shí)驗(yàn)技術(shù)及工程應(yīng)用可作為高等院校、科研院所從事力學(xué)、航空航天、材料科學(xué)、機(jī)械、土木和水利等專業(yè)的教師、科研人員和研究生的參考書和教材。
前
第1章 光彈性模型材料配制、模具制作、澆鑄和固化方法
1.1 概述
1.2 制造環(huán)氧樹脂光彈性材料的原料配比
1.2.1 環(huán)氧樹脂
1.2.2 固化劑
1.2.3 增塑劑
1.2.4 原料配比
1.3 澆鑄模具
1.3.1 制作光彈性平板材料用的玻璃模具
1.3.2 制作三維光彈性模型的模具
1.4 光彈性模型的澆鑄與固化工藝
1.4.1 環(huán)氧樹脂、固化劑和增塑劑的混合、攪拌和澆鑄
1.4.2 混合液的固化方法
1.5 減少環(huán)氧樹脂光彈性材料的"云霧"現(xiàn)象
第2章 光彈性模型的機(jī)加工方法、光彈性材料性能及其測定方法
2.1 概述
2.2 模型的機(jī)加工
2.2.1 環(huán)氧樹脂光彈性模型機(jī)加工的特點(diǎn)
2.2.2 機(jī)加工的一般方法
2.2.3 三維光彈性模型的切片和磨片方法
2.2.4 平面模型的加工工藝
2.3 模型的粘接
2.4 光彈性材料性能及其測定方法
2.4.1 室溫下模型材料性質(zhì)及其測定方法
2.4.2 凍結(jié)溫度下模型材料性質(zhì)及其測定方法
2.4.3 幾種典型光彈性材料的光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的測試
第3章 機(jī)械載荷作用下光彈性模型凍結(jié)應(yīng)力分析
3.1 概述
3.2 連桿光彈性模型凍結(jié)應(yīng)力分析
3.2.1 連桿光彈性模型的制造
3.2.2 連桿光彈性模型的實(shí)驗(yàn)
3.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.2.4 分析
3.3 礦井井塔倒錐臺基礎(chǔ)光彈性模型凍結(jié)應(yīng)力分析
3.3.1 倒錐臺基礎(chǔ)的光彈性模型的制造
3.3.2 倒錐臺基礎(chǔ)第1模型實(shí)驗(yàn)
3.3.3 倒錐臺基礎(chǔ)第2模型實(shí)驗(yàn)
第4章 氣壓載荷作用下光彈性模型凍結(jié)應(yīng)力分析
4.1 概述
4.2 活塞光彈性模型模擬燃燒室壓力的凍結(jié)應(yīng)力分析
4.2.1 活塞光彈性模型的制造
4.2.2 活塞光彈性模型實(shí)驗(yàn)
4.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4.3 地鐵地下車站拱殼柱結(jié)構(gòu)光彈性模型模擬土壓力載荷的凍結(jié)應(yīng)力分析
4.3.1 拱殼柱結(jié)構(gòu)光彈性模型的制造
4.3.2 三拱兩柱光彈性模型的試驗(yàn)
4.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
第5章 自重和離心力載荷作用下光彈性模型凍結(jié)應(yīng)力分析
5.1 概述
5.2 井塔倒錐臺基礎(chǔ)模型在自重載荷作用下光彈性三維應(yīng)力分析
5.2.1 施加自重載荷到井塔倒錐臺基礎(chǔ)光彈性模型上的離心機(jī)加載設(shè)備
5.2.2 倒錐臺基礎(chǔ)模型凍結(jié)應(yīng)力的操作過程
5.2.3 模擬自重的模型凍結(jié)應(yīng)力試驗(yàn)情況下,模型材料凍結(jié)條紋值的確定
5.2.4 離心力模擬自重模型的相似律計(jì)算
5.2.5 礦井井塔倒錐臺基礎(chǔ)光彈性模型在自重載荷下三維應(yīng)力分析
5.3 帶裂紋旋轉(zhuǎn)圓盤模型在離心力載荷作用下光彈性模型凍結(jié)應(yīng)力方法
5.3.1 旋轉(zhuǎn)圓盤模型及其上面裂紋的制造
5.3.2 離心力載荷作用下,旋轉(zhuǎn)圓盤模型應(yīng)力凍結(jié)方法
5.3.3 帶徑向和切向裂紋圓盤模型在離心力載荷作用下凍結(jié)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)
第6章 撞擊和交變載荷作用下光彈性應(yīng)力分析
6.1 概述
6.2 撞擊載荷下光彈性應(yīng)力分析
6.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置
6.2.2 在撞擊載荷下齒輪齒根動(dòng)應(yīng)力分析
6.3 交變載荷下光彈性應(yīng)力分析
6.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置
6.3.2 實(shí)驗(yàn)方法
第7章 三維光彈性模型的形狀和承載具有某些特殊性問題
7.1 網(wǎng)狀系桿拱連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)光彈性模型的成型和載荷的施加
7.1.1 網(wǎng)狀系桿拱連續(xù)梁橋光彈性模型成型工藝
7.1.2 橋面載荷的施加方法
7.2 鋼管混凝土拱連續(xù)梁特大橋拱腳結(jié)構(gòu)光彈性模型的成型和載荷施加
7.2.1 拱腳光彈性模型成型工藝
7.2.2 拱腳載荷的施加方法
7.3 剛構(gòu)連續(xù)梁橋墩梁固節(jié)點(diǎn)光彈性模型的成型和載荷施加
7.3.1 墩梁固節(jié)點(diǎn)光彈性模型成型工藝
7.3.2 墩梁固節(jié)點(diǎn)光彈性模型載荷的施加
7.4 斜拉橋梁錨固區(qū)光彈性模型的成型和載荷的施加
7.4.1 斜拉橋梁錨固區(qū)光彈性模型成型工藝
7.4.2 梁錨固區(qū)光彈性模型載荷的施加
7.5 懸索橋主鞍光彈性模型的成型和載荷的施加
7.5.1 懸索橋主鞍光彈性模型成型工藝
7.5.2 懸索橋主鞍光彈性模型載荷的施加
參考文獻(xiàn)
第1 章光彈性模型材料配制、模具制作、澆鑄和固化方法
1.1 概述
光彈性效應(yīng)早在1816 年就被發(fā)現(xiàn)，但光彈性法被廣泛地應(yīng)用于解決工程實(shí)際問題還是20 世紀(jì)30 年代的事，其主要原因是缺少合適的模型材料. 以前曾使用酚醛樹脂(如Catalin{800)、丙苯樹脂(如Bakelite BT.61{893)、丙烯樹脂(如CR{39)和聚酯樹脂(如Marco)等作為平面模型材料[1?6].
1951 年以后，出現(xiàn)了以環(huán)氧樹脂為基的各種新型光彈性材料，這種材料可以制成平板和澆鑄成立體模型，并能凍結(jié)應(yīng)力. 在室溫及凍結(jié)溫度下，它具有較高的光學(xué)靈敏度和比例極限，蠕變和時(shí)間邊緣效應(yīng)也較小，且易于加工，同時(shí)也可以黏結(jié).
后來又出現(xiàn)了聚碳酸酯的新型光彈性材料. 它的光學(xué)靈敏度很高，透明度很好，時(shí)間邊緣效應(yīng)也很小. 它是室溫平面應(yīng)力模型光彈性實(shí)驗(yàn)的優(yōu)良材料[7].
光彈性模型材料的性能和質(zhì)量將直接影響實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和測試精度. 因此，掌握光彈性模型材料的制造工藝及其性能的測定是非常重要的.
1.2 制造環(huán)氧樹脂光彈性材料的原料配比
1.2.1 環(huán)氧樹脂
凡含有環(huán)氧基團(tuán)的高分子聚合物統(tǒng)稱環(huán)氧樹脂. 根據(jù)濃縮程度不同，環(huán)氧樹脂的顏色和黏度都有所區(qū)別. 分子量不同，其用途也不同. 光彈性材料常用的環(huán)氧樹脂牌號#618、#6101、#634. 三種環(huán)氧樹脂的質(zhì)量指標(biāo)見表1.1 所示. 其中以#618 顏色最淺，流動(dòng)性好. #634 顏色最深，流動(dòng)性最差. 選用#6101 者居多.
1.2.2 固化劑
固化劑的作用是使環(huán)氧樹脂由線型高聚物固化成為立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu). 光彈性環(huán)氧樹脂材料的固化劑分為室溫固化劑與高溫固化劑兩種. 常用的室溫固化劑是胺類固化劑，如乙二胺、二乙烯三胺和三乙烯四胺等，其中乙二胺產(chǎn)生的固化反應(yīng)熱量大，會(huì)產(chǎn)生較大的固化初應(yīng)力，所以一般不常用. 高溫固化劑常使用有機(jī)酸酐固化劑，如順丁烯二酸酐，它是一種白色結(jié)晶體，具有刺激性，能升華，易吸潮. 其含量、熔點(diǎn)及雜質(zhì)見表1.2.
制造光彈性薄片材料(厚度小于2mm)或曲面光彈性貼片材料使用室溫固化劑. 制造光彈性板材和三維光彈性模型，如果使用室溫固化劑，則由于固化反應(yīng)熱量大，溫度場不均勻，散熱也慢，會(huì)產(chǎn)生較大的初應(yīng)力，故選用高溫固化劑.
1.2.3 增塑劑
單純添加固化劑固化了的環(huán)氧樹脂材料，性質(zhì)較脆，給機(jī)加工帶來困難. 為了提高其塑性，通常再添加一定量的增塑劑，如鄰苯二甲酸二丁酯是良好的增塑劑. 它是一種無色、透明液體，不溶于水，化學(xué)純的含量在99.5%，揮發(fā)分在0.3%以下. 添加增塑劑還可以起到稀釋環(huán)氧樹脂的作用.
1.2.4 原料配比
1. 室溫固化的原料配比
表1.3 給出原料配比和用其制成的光彈性材料的性質(zhì).
2. 高溫固化的原料配比
根據(jù)高分子反應(yīng)原理，100g 環(huán)氧樹脂中順丁烯二酸酐的適用量按下式計(jì)算：順丁烯二酸酐用量= 環(huán)氧樹脂的環(huán)氧值￡ 順丁烯二酸酐的分子量￡k式中，環(huán)氧值為表示100g 環(huán)氧樹脂中所含有的環(huán)氧基的物質(zhì)的量，其值見表1.1. 順丁烯二酸酐的分子量約為98. k 是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選定的常數(shù)，一般取k =0.75?0.85. 例如，對于100g 的#618、#6101、#634 環(huán)氧樹脂，按上式計(jì)算出的順丁烯二酸酐的適用量為35.2?45g，30.2?39.1g，27.9?37.5g.
在100g 環(huán)氧樹脂中增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯的常用量為5?10g.
鑒于下述原因，有時(shí)可考慮不使用增塑劑鄰苯二甲酸二丁酯.
(1)鄰苯二甲酸二丁酯雖能與環(huán)氧基反應(yīng)，但主要起外塑化作用，即填充了環(huán)氧樹脂的立體網(wǎng)格間隙，增加了大分子的柔順程度，改進(jìn)了材料的脆性. 因它不參與環(huán)氧樹脂的固化反應(yīng)，根據(jù)化學(xué)熱力學(xué)理論，它將從材料中緩慢地發(fā)揮出來，從而引起材料性質(zhì)的不均勻，并增加了材料的時(shí)間邊緣效應(yīng).
(2)鄰苯二甲酸二丁酯的比重比較小，與環(huán)氧樹脂混合時(shí)會(huì)漂浮在混合液的表面上，攪拌不均時(shí)，將在固化的環(huán)氧樹脂中產(chǎn)生亮帶狀\云霧".
在不加增塑劑的情況下，可以通過改變固化溫度的方法來提高材料的塑性.
環(huán)氧樹脂混合液的固化時(shí)間是相當(dāng)長的，為了縮短固化時(shí)間，在上述用量中可以加入0.1g 的催化劑――二甲基苯胺，這一用量可以使混合液的膠凝時(shí)間縮短兩天左右. 混合液加入二甲基苯胺后色澤變成暗紅色，但固化后將會(huì)變淡.
在實(shí)踐中，也常采用改變固化劑和增塑劑用量的辦法，獲得不同彈性模量E 的材料. 對于室溫下使用的光彈性材料，固化劑的含量對室溫材料彈性模量E 影響甚微，增塑劑含量的增加，對應(yīng)的室溫材料彈性模量E 會(huì)減小，當(dāng)增塑劑含量超過30 份時(shí)，則材料脫模困難. 凍結(jié)使用的光彈性材料，當(dāng)固化劑含量增加，對應(yīng)凍結(jié)材料彈性模量E 隨之也增加，當(dāng)固化劑含量超過40 份時(shí)，對應(yīng)凍結(jié)材料彈性模量E 反而降低. 當(dāng)增塑劑含量增加，對應(yīng)的凍結(jié)材料彈性模量E 會(huì)減小，當(dāng)增塑劑含量超過20 份時(shí)，材料凍結(jié)應(yīng)力性能大大降低. 如果固化劑用量不夠，則材料固化不，材料性能不穩(wěn)定. 材料的時(shí)間邊緣效應(yīng)隨固化劑用量的增加而增大.
1.3 澆鑄模具
1.3.1 制作光彈性平板材料用的玻璃模具
常用玻璃板模具，如圖1.1 所示. 制造尺寸為300mm￡300mm￡(6?8)mm 的光彈性平板材料，常用5?7mm 厚的玻璃，要求玻璃表面光整，在光照下表面無水紋. 模具兩側(cè)邊和底邊所用的玻璃隔條的厚度等于平板材料所需的厚度. 為防止環(huán)氧樹脂混合液滲漏，用套有鉛絲的橡皮管襯在玻璃隔條內(nèi)側(cè)，橡皮管的直徑比隔條的厚度稍大，鉛絲起定位作用. 兩塊玻璃板用帶有連接螺釘?shù)膲喊鍔A緊(壓板與玻璃間襯以紙墊或薄橡皮)，橡皮管要選擇顏色淺的.
制造模具的步驟如下：
(1)玻璃平板與隔條的油污先后要用汽油、肥皂水清洗，用乙醇或丙酮擦凈.
(2)在玻璃表面和橡皮管表面浸涂脫模劑，其作用是將玻璃表面、橡皮管表面與環(huán)氧樹脂混合料隔開，防止它們之間的黏結(jié). 常用的脫模劑為甲苯： 聚苯乙烯=100：(5?8)(重量比)的混合液. 浸涂脫模劑的方法是將潔凈的脫模劑盛在比玻璃平板尺寸稍大的扁形容器中，再將玻璃平板整個(gè)浸沒其中，然后慢慢地提起，立放在室溫下使其自然干燥. 及時(shí)遍風(fēng)干10?15h后，再涂第二遍. 橡皮管涂一遍即可.
(3)待玻璃平板上的第二遍脫模劑風(fēng)干后，將模具進(jìn)行裝配. 這時(shí)，應(yīng)注意調(diào)節(jié)各壓板螺絲，以保障澆鑄出的平板厚度均勻.
使用這種脫模劑制出的平板材料表面光潔平整. 但脫模劑的稠度要適當(dāng)，涂膜不能太薄也不能太厚. 干燥要適當(dāng). 切忌在高溫下烘烤，否則脫模劑開裂，將發(fā)生材料與玻璃的黏結(jié). 另外脫模劑的表面要防止粘上塵土.
還有一種在玻璃表面制造硬膜脫模層的方法介紹如下：
(1)脫模劑配方. 將一甲基三氯硅烷10g 和二甲基二氯硅烷20g 加入到#200 溶劑汽油中，三者之和做成250?500mL 混合液.
(2)在玻璃表面涂敷上述混合液形成硬膜脫模層. 方法是：① 用綢子將混合液涂在玻璃的一側(cè)表面，在烘箱中升至150?180±C 恒溫1h，然后降溫至90±C 時(shí)，使用綢子將涂混合液的玻璃表面用力擦均勻，至亮如鏡面為止. ② 按① 再涂第二次混合液進(jìn)行同樣操作. ③ 按① 再涂第三次混合液進(jìn)行同樣操作.
這種方法制成的光彈性平板材料表面的光潔度極高，同時(shí)，這種玻璃脫膜層還可重復(fù)使用. 如果對光彈性平板表面光潔度或平整度要求不高時(shí)，可以涂敷甲基硅橡膠或硅脂作為脫模層.
1.3.2 制作三維光彈性模型的模具
1. 制作形狀簡單，并準(zhǔn)備對光彈性模型進(jìn)行機(jī)加工的三維模型[8]
可用白鐵皮(厚度為0.3?0.5mm)錫焊制成，如圖1.2(a)所示. 應(yīng)在模具內(nèi)外邊界各留5mm 左右的機(jī)加工余量. 若模型有內(nèi)腔，模具的內(nèi)芯必須用彈性較大的材料制成. 這樣，可減少環(huán)氧樹脂固化時(shí)由于收縮產(chǎn)生較大的初應(yīng)力，以及防止模型內(nèi)腔的開裂. 圖1.2(b)改用彈性內(nèi)芯后，模型內(nèi)腔不再出現(xiàn)裂紋，而且由于內(nèi)芯具有彈性，初應(yīng)力大為減小. 制造彈性內(nèi)芯的方法，可以在白鐵皮內(nèi)芯的表面上敷以一層薄海綿橡皮或室溫硫化硅橡膠，也可以是使用草板紙代替白鐵皮作為內(nèi)芯，然后，在內(nèi)芯外表面再蒙上聚氯乙烯塑料薄膜防漏，這種方法工藝簡單，價(jià)格便宜，效果也很好. 白鐵皮模具的脫模劑通常使用甲苯： 聚苯乙烯=100：(8?10)溶液或涂一層硅脂.
2. 制作形狀復(fù)雜三維模型
1)蠟料模具
對于零件形狀比較復(fù)雜、帶有內(nèi)腔，甚至無法用機(jī)加工方法制造的模型，由于用白鐵皮做的模具剛度偏大、易產(chǎn)生鑄造應(yīng)力的情況，近年來廣泛
很實(shí)用。
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