Elément photoélastique pour la détermination de contraintes mécaniques
L'invention a pour objet un élément photoélastique pour la détermination de contraintes mécaniques.
On utilise déjà divers procédés pour la détermination des contraintes mécaniques que subit un corps, et certains font appel, dans ce but, aux déformations que subissent des zones convenablement choisies de la surface du corps. On cite, à ce titre, le procédé d'extensométrie suivant lequel les déformations d'un corps sont déterminées à partir de la variation de résistance ohmique d'un conducteur électrique fin faisant partie d'une plaquette qu'on colle sur le corps, ce dernier dispositif étant connu sous le nom de jauge extensométrique ou straingauge.
D'autre part, on a proposé, pour réaliser certains essais de résistance, ou pour surveiller le comportement de corps solides ou de pièces de construction, d'utiliser les variations de bi-réfringence qui se produisent dans une plaquette en une matière convenable, qualifiée de photoélastique, qui se déforme au cours de l'essai ou qui est collée sur la pièce à surveiller. De tels procédés d'essai ou de surveillance ont pris récemment un grand développement avec l'apparition de matières photoélastiques à haute sensibilité.
L'objet de la présente invention est un élément photoélastique pour la détermination, par mesures optique s, de contraintes mécaniques à la surface d'une pièce à contrôler et dont il est rendu solidaire lors de l'emploi, caractérisé en ce qu'il comprend un corps en matière bi-réfringente ou susceptible d'acquérir cette propriété sous l'action des contraintes, présentant une forme délimitée par deux surfaces dont la première est disposée à l'intérieur de la deuxième et par au moins une troisième surface raccordée respectivement à la première et à la seconde surface le long d'une arête, ces deux arêtes ne se coupant pas, ladite troisième surface étant destinée à être rendue solidaire de la pièce à contrôler.
Cet élément est d'une fabrication facile et peut être réalisé pour s'adapter au mieux aux diverses conditions de la pratique.
L'utilisation de cet élément n'oblige pas à modifier le corps ou la pièce de construction dont il y a lieu de déterminer les contraintes.
L'élément selon l'invention est fixé au corps ou à la pièce à examiner et il permet l'observation des variations de bi-réfringence qui se produisent en un de ses points, permettant ainsi la détermination rigoureuse des contraintes que subit ledit élément sur sa zone de fixation avec le corps ou la pièce à contrôler.
L'observation de la variation de la bi-réfringence a lieu par des appareils ou instruments habituels.
Toutefois, ceux-ci peuvent être étalonnés ou gradués de manière à fournir directement l'indication recherchée, en direction et/ou en grandeur.
Le dessin montre, à titre d'exemple, quatre formes d'exécution de l'élément faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue en coupe d'une première forme d'exécution;
la fig. 2 est une vue d'un appareil utilisant la forme d'exécution selon la fig. 1;
la fig. 3 est une vue en coupe de la deuxième forme d'exécution;
la fig. 4 est une vue en perspective de la troisième forme d'exécution, et
la fig. 5 est une vue en coupe de la quatrième forme d'exécution.
On se réfère d'abord à la fig. 1. Dans cette forme de réalisation, l'élément photo élastique comprend un anneau 10 en matière photoélastique, dont le bord externe 11 et le bord interne 12 sont circulaires, les faces 13 et 14 dudit anneau étant planes et l'anneau étant d'épaisseur uniforme. La matière photoélastique constitutive de cet anneau peut être par exemple une de celles qui sont décrites dans le brevet français No 1102216 publié le 18.10.1955.
L'anneau 10 est rendu solidaire par une de ses faces, la face 14 dans l'exemple, d'une bague 15 de même diamètre externe que l'anneau 10, le bord 16 de la bague prolongeant ainsi le bord 1 1 de l'anneau, mais dont le diamètre interne est - sensible- ment plus grand que celui de l'anneau, le bord interne 17 de la bague 15 étant ainsi relativement distant du bord interne 12 de l'anneau 10. Les faces 18 et 19 de la bague sont parallèles. En outre, la face 14 de l'anneau est rendue réfléchissante, tout au moins dans sa partie non en contact avec la bague 15.
Lors de l'emploi de l'élément photoélastique, on le fixe, par exemple par collage, par la face 19 de l'anneau 15, avec le corps ou la pièce de construction 20 dont on désire mesurer les contraintes (fig.
2). Puis on observe le comportement, au point de vue bi-réfringence, d'une partie de l'anneau 10, de préférence celle qui entoure le trou central 21. L'observation a lieu, par exemple, à l'aide d'un appareil d'un type habituel comprenant une source de lumière 22, des moyens optiques pour projeter un pinceau ou un faisceau lumineux sur la zone à observer, un polariseur P interposé dans le trajet dudit faisceau ou pinceau entre la source et l'élément photoélastique, un analyseur A entre l'élément photoélastique et l'oeil de l'observateur, celui-ci effectuant son observation à travers un microscope ou loupe 23. Dans le cas considéré, on utilise de préférence un polariseur circulaire.
Le repérage de la position angulaire du microscope ou loupe par rapport à une position fixe permet, par exemple grâce à une graduation que comporte le boîtier 24 de l'appareil, la détermination directe des directions principales des contraintes. Le comptage du nombre de franges permet la détermination de la valeur des contraintes principales ou du champ des contraintes.
Dans la forme de réalisation montrée sur la fig.
3, l'élément photoélastique 30 a ses faces externe et interne constituées par des surfaces hémisphériques concentriques, la face interne étant réfléchis sante; il est collé sur la pièce 31 par sa tranche 32.
La fig. 4 montre une autre réalisation d'un élément photoélastique en forme de corps creux ou coque; elle est constituée par un parallélépipède 33 en matière photoélastique et destiné à être collé par sa tranche 34 à la surface du corps ou la pièce de construction dont les contraintes sont à déterminer.
Dans la forme de réalisation suivant la fig. 5,
I'élément photoélastique est en forme de cylindre circulaire 35 dont une tranche est propre à être fixée avec la structure 36. La surface interne 37 de l'anneau cylindrique est rendue réfléchissante en vue de l'observation.
Dans certains cas, lorsque la direction et le point d'application des efforts sont connus, on peut utiliser un élément photoélastique encore plus simple, par exemple un simple disque circulaire en matière photoélastique.
Photoelastic element for the determination of mechanical stresses
The subject of the invention is a photoelastic element for determining mechanical stresses.
Various methods are already used for determining the mechanical stresses to which a body is subjected, and some make use, for this purpose, of the deformations which suitably chosen areas of the surface of the body undergo. We cite, in this regard, the extensometry method according to which the deformations of a body are determined from the variation in ohmic resistance of a fine electrical conductor forming part of a plate that is glued to the body, the latter device being known under the name of strain gauge or straingauge.
On the other hand, it has been proposed, in order to carry out certain resistance tests, or to monitor the behavior of solid bodies or of construction parts, to use the birefringence variations which occur in a wafer made of a suitable material, qualified as photoelastic, which deforms during the test or which is stuck to the part to be monitored. Recently, such testing or monitoring methods have taken on great development with the advent of high sensitivity photoelastic materials.
The object of the present invention is a photoelastic element for the determination, by optical measurements, of mechanical stresses on the surface of a part to be checked and with which it is made integral during use, characterized in that it comprises a body made of a bi-refractive material or one capable of acquiring this property under the action of stresses, having a shape delimited by two surfaces, the first of which is arranged inside the second and by at least one third surface connected respectively at the first and at the second surface along an edge, these two edges not intersecting, said third surface being intended to be made integral with the part to be inspected.
This element is easy to manufacture and can be made to best adapt to the various conditions of practice.
The use of this element does not oblige to modify the body or the construction part whose constraints are to be determined.
The element according to the invention is fixed to the body or to the part to be examined and it allows the observation of the birefringence variations which occur at one of its points, thus allowing the rigorous determination of the stresses that said element undergoes on its fixing zone with the body or the part to be tested.
The observation of the variation of the birefringence takes place by usual apparatus or instruments.
However, these can be calibrated or graduated so as to provide the desired indication directly, in direction and / or in magnitude.
The drawing shows, by way of example, four embodiments of the element forming the subject of the invention.
Fig. 1 is a sectional view of a first embodiment;
fig. 2 is a view of an apparatus using the embodiment according to FIG. 1;
fig. 3 is a sectional view of the second embodiment;
fig. 4 is a perspective view of the third embodiment, and
fig. 5 is a sectional view of the fourth embodiment.
Reference is made first to FIG. 1. In this embodiment, the photoelastic element comprises a ring 10 of photoelastic material, the outer edge 11 and the inner edge 12 of which are circular, the faces 13 and 14 of said ring being planar and the ring being of uniform thickness. The photoelastic material constituting this ring can be, for example, one of those which are described in French patent No. 1102216 published on October 18, 1955.
The ring 10 is made integral by one of its faces, the face 14 in the example, with a ring 15 of the same external diameter as the ring 10, the edge 16 of the ring thus extending the edge 1 1 of the 'ring, but the internal diameter of which is appreciably greater than that of the ring, the internal edge 17 of the ring 15 thus being relatively distant from the internal edge 12 of the ring 10. The faces 18 and 19 of the ring are parallel. In addition, the face 14 of the ring is made reflective, at least in its part not in contact with the ring 15.
When using the photoelastic element, it is fixed, for example by gluing, by the face 19 of the ring 15, with the body or the construction part 20 of which it is desired to measure the stresses (fig.
2). Then we observe the behavior, from the point of view of bi-refringence, of a part of the ring 10, preferably that which surrounds the central hole 21. The observation takes place, for example, using a apparatus of a usual type comprising a light source 22, optical means for projecting a brush or a light beam onto the area to be observed, a P polarizer interposed in the path of said beam or brush between the source and the photoelastic element, an analyzer A between the photoelastic element and the eye of the observer, the latter carrying out its observation through a microscope or magnifying glass 23. In the case considered, a circular polarizer is preferably used.
The identification of the angular position of the microscope or magnifying glass with respect to a fixed position makes it possible, for example by virtue of a graduation provided by the housing 24 of the apparatus, the direct determination of the main directions of the stresses. The counting of the number of fringes allows the determination of the value of the principal stresses or of the stress field.
In the embodiment shown in fig.
3, the photoelastic element 30 has its outer and inner faces formed by concentric hemispherical surfaces, the inner face being reflective; it is glued to the part 31 by its edge 32.
Fig. 4 shows another embodiment of a photoelastic element in the form of a hollow body or shell; it consists of a parallelepiped 33 made of photoelastic material and intended to be bonded by its edge 34 to the surface of the body or the construction part, the stresses of which are to be determined.
In the embodiment according to FIG. 5,
The photoelastic element is in the form of a circular cylinder 35, one edge of which is suitable for being fixed with the structure 36. The internal surface 37 of the cylindrical ring is made reflective for the purpose of observation.
In certain cases, when the direction and the point of application of the forces are known, it is possible to use an even simpler photoelastic element, for example a simple circular disc of photoelastic material.