CN103968979B - 光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，包括以下步骤：a、选取旋转光弹性模型试验件的局部采用与光弹性模型相同的制作方法制作辅助光弹性模型；b、把作用在辅助光弹性模型上的旋转离心力转换为拉力，对辅助光弹性模型进行分级增量冻结加载；c、获取经过分级增量冻结加载后的辅助光弹性模型的应力条纹级数值的试验数据并对试验数据进行曲线拟合；d、利用拟合数据变量修正光弹性模型的应力条纹级数值。用本处理方法得到的模型应力条纹级数值更接近真实的应力水平。
Description
技术领域
本发明涉及光弹性试验领域，特别地，涉及一种光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法。
背景技术
目前，采用光弹性试验获得试验件的应力分布是在产品原型设计中用来评估工作应力的主要技术手段，在产品设计强度分析上占有重要地位。
光弹性试验对象为光弹性模型，随着航空技术的发展，原型件为高速旋转件的试验件越来越多，但光弹性模型不适合在高速下旋转，试验设备对施加的载荷有一定的限制，有时试验后模型中的应力条纹稀疏，最高应力条纹级数值偏小，这种情况下读出的模型应力条纹级数值误差较大，导致试验的精确度低。
光弹性模型还存在边缘效应、“云雾”现象和加工应力等初始条纹干扰模型边界等差线和等倾线规律的问题，导致试验的精确度降低。对模型中存在边缘效应“云雾”现象，为了降低它们对试验的影响，把模型放置在平衡湿度的环境中或放入干燥器中保存可减少边缘效应，上述方法对多数光弹性试验都是有效的，但对低速旋转下模型条纹级数值偏小这种情况存在两个方面的不足：一是条纹倍增法在增加条纹级数值的同时也同等幅度增加了边缘效应和“云雾”的条纹级数值，不能理想的消除边缘效应和“云雾”等初始应力条纹对试验数据带来的误差；二是把模型放置在平衡湿度的环境中或放入干燥器中保存可减少边缘效应等初始应力条纹、退火可部分消除“云雾”，但仍然存在级数比较低的初始应力条纹，这有时给载荷不大，试验后模型中条纹级数值偏小的试验数据较大的误差。常规的处理方法不能完全消除初始应力，载荷较大时因初始应力较小，它给试验带来的误差相对较小，但载荷较小时，它有时给试验数据带来的误差较大，导致此时试验的精确度不能有效控制。
发明内容
本发明目的在于提供一种光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，以解决现有光弹性试验获取旋转件的应力条纹级数值的处理方法精确度低；低速旋转条件，离心小载荷下模型应力条纹稀疏，应力条纹级数值小，初始应力条纹严重干扰模型应力条纹级数值的准确判读，导致试验的精确度不能有效控制的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，包括以下步骤：a、选取旋转光弹性模型试验件的局部采用与光弹性模型相同的制作方法制作辅助光弹性模型；b、把作用在辅助光弹性模型上的旋转离心力转换为拉力，对辅助光弹性模型进行分级增量冻结加载；c、获取经过分级增量冻结加载后的辅助光弹性模型的应力条纹级数值的试验数据并对试验数据进行曲线拟合；d、利用拟合数据变量修正光弹性模型的应力条纹级数值。
进一步地，步骤a中制作辅助光弹性模型包括以下步骤：e、确定旋转光弹性模型试验件上用于旋转试验的部分；f、针对旋转光弹性模型试验件上用于旋转试验的部分进行辅助光弹性模型的设计；g、根据设计，利用制作光弹性模型的方法进行辅助光弹性模型的制作加工。优选地，光弹性模型的方法采用真空浇注法。
进一步地，步骤e中，用于制作辅助光弹性模型的旋转光弹性模型试验件局部根据旋转应力分析需要进行选取；从选取的部分中取一部分作为辅助光弹性模型的主体，主体的形状、尺寸和加工精度三个指标与旋转光弹性模型试验件的对应部分相同。
进一步地，辅助光弹性模型还包括加载体，加载体的设计满足圣维南原理。
进一步地，加载体与主体之间的连接处为平滑过渡，加载体用于加载的部分的形状和尺寸与光弹性模型的转接部位相匹配。
进一步地，步骤b中对辅助光弹性模型分级进行冻结加载包括：h、选取五套辅助光弹性模型试验件，并把五套辅助光弹性模型安装在辅助加载装置上；i、五套辅助光弹性模型试验件分别处于五个不同的荷载级别进行加载；j、对已加载的五套辅助光弹性模型随旋转光弹性模型试验件一起进行冻结。
进一步地，步骤i中的五个不同的荷载级别为F、2F、3F、4F、5F，其中F是指光弹性试验模型应力条纹级数值最大点对应的荷载，F前的数字为荷载的倍数。5F对应的最高应力条纹级数值减去初始应力条纹级数值后除以5作为光弹性模型在载荷为F时的最高应力条纹级数值。
进一步地，步骤j中的冻结在温控箱中进行，对安装加载好的旋转光弹性模型试验件以及辅助光弹性模型同时进行温控；温控曲线为1h由室温升至80℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至120℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至150℃，保温8h-24h后以1℃/h的速率下降到80℃，停止温控，模型自然冷却到室温。
进一步地，步骤c中获取辅助光弹性模型的试验数据并对试验数据进行曲线拟合包括：把辅助光弹性模型从辅助加载装置中取出；沿应力峰值最大方向进行切片；用偏光仪读出各级载荷下对应的最大应力条纹级数值；针对五个不同荷载级别条件下读出的应力条纹级数值绘制载荷与条纹级数值的拟合曲线。
进一步地，步骤d中对光弹性试验的模型应力条纹级数值进行修正包括：用偏光仪读出光弹性试验各点的模型应力条纹级数值；从载荷与条纹级数值的拟合曲线中得出初始应力条纹级数值；光弹性试验的模型应力条纹级数值减去初始应力条纹级数值得到修正后的模型应力条纹级数值。
本发明具有以下有益效果：
1、本方法对光弹性试验原始数据进行修正提高了光弹性试验的精确度，辅助光弹性模型相对光弹性模型本身的加工费用低。辅助光弹性模型采用与光弹性模型相同的原材料、相同制作方法制作，采用同一批毛胚、相同的加工设备和加工方法制作辅助光弹性试验模型，这保证了辅助光弹性试验模型的初始应力条纹与光弹性模型本身的初始应力条纹基本相同，通过曲线拟合可求出辅助光弹性模型的初始应力条纹，光弹性模型的应力条纹级数值减去辅助光弹性模型得初始应力条纹得到各点应力条纹级数值值更接近真实，从而提高了光弹性试验的精确度。用本处理方法得到的模型应力条纹级数值更接近真实的应力水平。
2、本方法提高了试验载荷较小时的读数精确度，有效减小了初始应力条纹对应力条纹级数值准确判读的干扰，试验的精确度能够得到有效控制。
3、本方法适合用于旋转试验件转速较低时光弹性“冻结”试验数据的修正，采用的辅助光弹性模型与试验模型是相同的原材料、相同的加工方法制作而成。这保证了辅助光弹性模型与试验模型的初始应力基本相同。
4.对辅助光弹性模型成比例的加大载荷，条纹级数值明显增加，降低了初始应力对试验数据的影响。
5、本方法对施加载荷小，应力条纹比较稀疏的光弹性冻结试验原始数据的修正也适用。
6、辅助加载装置可重复使用，不需要重新设计、加工。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的光弹性模型的应力条纹级数的处理方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由所限定和覆盖的多种不同方式实施。
图1是本发明优选实施例的光弹性模型的应力条纹级数的处理方法的流程示意图，如图1所示，本实施例的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，包括以下步骤：a、选取旋转光弹性模型试验件的局部采用与光弹性模型相同的制作方法制作辅助光弹性模型；b、把作用在辅助光弹性模型上的旋转离心力转换为拉力，对辅助光弹性模型进行分级增量冻结加载；c、获取经过分级增量冻结加载后的辅助光弹性模型的应力条纹级数值的试验数据并对试验数据进行曲线拟合；d、利用拟合数据变量修正光弹性模型的应力条纹级数值。本方法对光弹性试验原始数据进行修正提高了光弹性试验的精确度，辅助光弹性模型相对光弹性模型本身的加工费用低。辅助光弹性模型采用与光弹性模型相同的原材料、相同制作方法制作，采用同一批毛胚、相同的加工设备和加工方法制作辅助光弹性试验模型，这保证了辅助光弹性试验模型的初始应力条纹与光弹性模型本身的初始应力条纹基本相同，通过曲线拟合可求出辅助光弹性模型的初始应力条纹，光弹性模型的应力条纹级数值减去辅助光弹性模型得初始应力条纹得到各点应力条纹级数值值更接近真实，从而提高了光弹性试验的精确度。用本处理方法得到的模型应力条纹级数值更接近真实的应力水平。
本实施例中，步骤a中制作辅助光弹性模型包括以下步骤：e、确定旋转光弹性模型试验件上用于旋转试验的部分；f、针对旋转光弹性模型试验件上用于旋转试验的部分进行辅助光弹性模型的设计；g、根据设计，利用制作光弹性模型的方法(如真空浇注法)进行辅助光弹性模型的制作加工。本方法提高了试验载荷较小时的读数精确度，消除了条纹级数值的准确判读的干扰，试验的精确度能够得到有效控制。辅助光弹性模型的真空浇注工艺方法利用真空浇注成型机及安装在真空浇注成型机内的硅橡胶阴模进行浇注成型，真空浇注成型机包括真空搅拌控温室、模型成型室及用于控制的控制室，硅橡胶阴模安装在模型成型室内的固化模具室内。采用旋转光弹性模型试验件的相同原料以及相同制造设备，根据需要浇注的辅助光弹性模型的重量按照重量比例分别称好原料，并使得原料在真空搅拌控温室的真空的条件下混合均匀；对模型成型室抽真空，并保持真空环境后，再将混合均匀后的原料注入至旋转光弹性模型试验件的局部位置的硅橡胶阴模内，进行浇注成型；对经浇注成型后的辅助光弹性模型进行固化成型，也可采用真空浇注法浇注毛坯，后进行机械加工的方法制作。辅助光弹性模型采用与光弹性模型相同的原材料、相同制作方法制作，或采用同一批毛胚、相同的加工设备和加工方法制作辅助光弹性试验模型，这保证了辅助光弹性试验模型的初始应力条纹与光弹性模型本身的初始应力条纹基本相同，通过曲线拟合可求出辅助光弹性模型的初始应力条纹，光弹性模型的应力条纹级数值减去辅助光弹性模型得初始应力条纹得到各点应力条纹级数值值更接近真实，从而提高了光弹性试验的精确度。
本实施例中，步骤e中，用于制作辅助光弹性模型的旋转光弹性模型试验件局部根据旋转应力分析需要进行选取；从选取的部分中取一部分作为辅助光弹性模型的主体，主体的形状、尺寸和加工精度三个指标与旋转光弹性模型试验件的对应部分相同。本方法提高了试验载荷较小时的读数精确度，消除了条纹级数值的准确判读的干扰，试验的精确度能够得到有效控制。
本实施例中，辅助光弹性模型还包括加载体，加载体的设计满足圣维南原理。本方法提高了试验载荷较小时的读数精确度，有效减小了初始应力条纹对应力条纹级数值准确判读的干扰，试验的精确度能够得到有效控制。
本实施例中，加载体与主体之间的连接处为平滑过渡，加载体用于加载的部分的形状和尺寸与光弹性模型的转接部位相匹配。
本实施例中，步骤b中对辅助光弹性模型分级进行冻结加载包括：h、选取五套辅助光弹性模型试验件，并把五套辅助光弹性模型安装在辅助加载装置上；i、五套辅助光弹性模型试验件分别处于五个不同的荷载级别进行加载；j、对已加载的五套辅助光弹性模型随旋转光弹性模型试验件一起进行冻结。本方法适合用于旋转试验件转速较低时光弹性“冻结”试验数据的修正，采用的辅助光弹性模型与试验模型是相同的原材料、相同的加工方法制作而成。这保证了辅助光弹性模型与试验模型的初始应力基本相同。本方法对施加载荷小，应力条纹比较稀疏的光弹性冻结试验原始数据的修正也适用。辅助加载装置可重复使用，不需要重新设计、加工。
本实施例中，步骤i中的五个不同的荷载级别为F、2F、3F、4F、5F，其中F是指光弹性试验模型应力条纹级数值最大点对应的荷载，F前的数字为荷载的倍数。5F对应的最高应力条纹级数值减去初始应力条纹级数值后除以5作为光弹性模型在载荷为F时的最高应力条纹级数值。对辅助光弹性模型成比例的加大载荷，条纹级数值明显增加，降低了初始应力对试验数据的影响。
本实施例中，步骤j中的冻结在温控箱中进行，对安装加载好的旋转光弹性模型试验件以及辅助光弹性模型同时进行温控；温控曲线为1h由室温升至80℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至120℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至150℃，保温8h-24h后以1℃/h的速率下降到80℃，停止温控，模型自然冷却到室温。
本实施例中，步骤c中获取辅助光弹性模型的试验数据并对试验数据进行曲线拟合包括：把辅助光弹性模型从辅助加载装置中取出；沿应力峰值最大方向进行切片；用偏光仪读出各级载荷下对应的最大应力条纹级数值；针对五个不同荷载级别条件下读出的应力条纹级数值绘制载荷与条纹级数值的拟合曲线。
本实施例中，步骤d中对光弹性试验的模型应力条纹级数值进行修正包括：用偏光仪读出光弹性试验各点的模型应力条纹级数值；从载荷与条纹级数值的拟合曲线中得出初始应力条纹级数值；光弹性试验的模型应力条纹级数值减去初始应力条纹级数值得到修正后的模型应力条纹级数值。
实施时，离心小载荷下模型应力条纹级数值的处理方法，采用与光弹性模型相同制作方法制作辅助光弹性试验模型，把旋转的离心力转换为拉力对辅助光弹性模型进行分级增量加载，得到的试验数据采用曲线拟合方式求出初应力及各级载荷对应的条纹级数值的试验数据来修正离心小载荷下模型应力条纹级数值。处理方法包括以下步骤：(1)、制作旋转试验件局部的辅助光弹性试验模型；(2)、对辅助光弹性模型进行分级增量冻结加载；(3)、读出辅助光弹性模型的试验数据并进行曲线拟合；(4)、对光弹性试验的模型应力条纹级数值进行修正。采用与光弹性模型相同制作方法制作辅助光弹性试验模型是指采用与光弹性模型制作相同的原材料、相同浇注工艺制作的同一批毛胚、相同的加工设备和加工方法来制作辅助光弹性试验模型。
步骤(1)中制作旋转试验件局部的辅助光弹性试验模型包括以下步骤：(5)、确定用于辅助光弹性试验模型的旋转试验件局部；(6)、完成辅助光弹性试验模型的设计；(7)、完成辅助光弹性试验模型的加工。
步骤(5)中旋转试验件局部是指根据旋转试验件需要应力分析的部位，取具有代表性的一部份作为辅助光弹性试验模型的主体，主体的形状、尺寸、加工精度与光弹性试验模型对应部分完全相同。如燃气涡轮工作叶片有60个榫头、榫槽，光弹性模型就有60个榫头、榫槽，辅助光弹性试验模型的主体选取其中的1个榫头、榫槽。
步骤(6)中辅助光弹性试验模型由主体和加载体两部分组成，主体设计与所述步骤(5)完全相同，加载体的设计需满足圣维南定理，加载体与主体连接处应平滑过渡，加载体用于加载的部分其形状与尺寸与已有转接段配合，不需要重新加工。
步骤(2)中对辅助光弹性模型分级进行冻结加载包括：(8)、把辅助光弹性模型安装在辅助加载装置上；(9)、分5级进行加载；(10)、对已加载的5套辅助光弹性模型随旋转光弹性模型一起进行冻结。步骤(9)中5级为F、2F、3F、4F、5F，F是指光弹性试验模型应力条纹级数值最大点对应的载荷。
步骤(10)中冻结在温控箱中进行，对安装加载好的光弹性模型和辅助光弹性模型同时进行温控。温控曲线为1小时由室温升至80℃，后保温24小时，然后以2℃每小时的速率上升到120℃，接着保温24小时，再以2℃每小时的速率上升到156℃，保温8-24小时(具体时间由模型尺寸定)，最后以1℃每小时的速率下降到80℃，停止温控，模型自然冷却到室温。
步骤(3)中读出辅助光弹性模型的试验数据并进行曲线拟合包括：(11)、把辅助光弹性模型从辅助加载装置中取出来；(12)、沿应力峰值最大方向进行切片；(13)、用偏光仪读出各级载荷下对应的最大应力条纹级数值；(14)、对5级载荷下读出的应力条纹级数值画载荷与条纹级数值的拟合曲线。
步骤(12)中切片须缓慢平稳，切割温度不超过80℃。
步骤(4)中对光弹性试验的模型应力条纹级数值进行修正包括：(15)、用偏光仪读出光弹性试验各点的模型应力条纹级数值；(16)、从载荷与条纹级数值的拟合曲线中求出初始应力条纹级数值；(17)、光弹性试验的模型应力条纹级数值减去初始应力条纹级数值得到修正后的模型应力条纹级数值，用本处理方法得到的模型应力条纹级数值更接近真实的应力水平；18)、5F对应的最高应力条纹级数值减去初始应力条纹级数值后除以5作为光弹性模型在载荷为F时的最高应力条纹级数值。
如图1所示，模型应力条纹级数值的处理方法采用与光弹性模型相同制作方法制作辅助光弹性试验模型，把旋转的离心力转换为拉力对辅助光弹性模型进行分级增量加载，得到的试验数据采用曲线拟合方式求出初应力及各级载荷对应的条纹级数值的试验数据来修正离心小载荷下模型应力条纹级数值。解决了试验载荷较小时条纹级数值较低导致读数精确度不高和应力条纹图存在级数比较低的初始应力条纹干扰条纹级数值的准确判读，试验的精确度不能有效控制等技术问题。它的辅助加载装置可重复使用，不需要重新设计、加工，辅助光弹性模型加工相对光弹性模型本身简单，节约了设备投资和加工费。本处理方法提高了光弹性试验的精确度。用本处理方法得到的模型应力条纹级数值值更接近真实的应力水平。5F对应的最高应力条纹级数值减去初始应力条纹级数值后除以5作为光弹性模型在载荷为F时的最高应力条纹级数值。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、选取旋转光弹性模型试验件的局部采用与光弹性模型相同的制作方法制作辅助光弹性模型，采用同一批毛胚、相同的加工设备和加工方法制作辅助光弹性试验模型，保证了辅助光弹性试验模型的初始应力条纹与光弹性模型本身的初始应力条纹相同，辅助光弹性模型相对光弹性模型本身的加工费用低，用本处理方法得到的模型应力条纹级数值接近真实的应力水平；
b、把作用在所述辅助光弹性模型上的旋转离心力转换为拉力，对所述辅助光弹性模型进行分级增量冻结加载；
c、获取经过分级增量冻结加载后的所述辅助光弹性模型的应力条纹级数值的试验数据并对所述试验数据进行曲线拟合，通过曲线拟合可求出辅助光弹性模型的初始应力条纹，光弹性模型的应力条纹级数值减去辅助光弹性模型得初始应力条纹得到各点应力条纹级数值更接近真实，从而提高了光弹性试验的精确度，对光弹性试验原始数据进行修正提高了光弹性试验的精确度；
d、利用拟合数据变量修正光弹性模型的应力条纹级数值。
2.根据权利要求1所述的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，所述步骤
a中制作所述辅助光弹性模型包括以下步骤：
e、确定所述旋转光弹性模型试验件上用于旋转试验的部分；
f、针对所述旋转光弹性模型试验件上用于旋转试验的部分进行所述辅助光弹性模型的设计；
g、根据设计，利用光弹性模型的方法进行所述辅助光弹性模型的制作加工。
3.根据权利要求2所述的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，
所述步骤e中，用于制作所述辅助光弹性模型的所述旋转光弹性模型试验件局部根据旋转应力分析需要进行选取；
从选取的部分中取一部分作为所述辅助光弹性模型的主体，
所述主体的形状、尺寸和加工精度三个指标与所述旋转光弹性模型试验件的对应部分相同。
4.根据权利要求3所述的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，所述辅助光弹性模型还包括加载体，所述加载体的设计满足圣维南原理。
5.根据权利要求4所述的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，所述加载体与所述主体之间的连接处为平滑过渡，所述加载体用于加载的部分的形状和尺寸与所述光弹性模型的转接部位相匹配。
6.根据权利要求1所述的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，所述步骤
b中对所述辅助光弹性模型分级进行冻结加载包括：
h、选取五套带有所述辅助光弹性模型试验件，并把五套所述辅助光弹性模型安装在辅助加载装置上；
i、五套带有所述辅助光弹性模型试验件分别处于五个不同的荷载级别进行加载；
j、对已加载的五套所述辅助光弹性模型随所述旋转光弹性模型试验件一起进行冻结。
7.根据权利要求6所述的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，所述步骤i中的五个不同的荷载级别为F、2F、3F、4F、5F，其中F是指光弹性试验模型应力条纹级数值最大点对应的荷载，F前的数字为荷载的倍数。
8.根据权利要求6所述的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，
所述步骤j中的冻结在温控箱中进行，对安装加载好的所述旋转光弹性模型试验件以及所述辅助光弹性模型同时进行温控；
温控曲线为1h由室温升至80℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至120℃，保温24h后以2℃/h的速率上升至150℃，保温8h-24h后以1℃/h的速率下降到80℃，停止温控，模型自然冷却到室温。
9.根据权利要求6所述的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，
所述步骤c中获取所述辅助光弹性模型的试验数据并对试验数据进行曲线拟合包括：
把所述辅助光弹性模型从辅助加载装置中取出；
沿应力峰值最大方向进行切片；
用偏光仪读出各级载荷下对应的最大应力条纹级数值；
针对五个不同荷载级别条件下读出的应力条纹级数值绘制载荷与条纹级数值的拟合曲线。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光弹性模型的应力条纹级数值的处理方法，其特征在于，
所述步骤d中对所述光弹性试验的模型应力条纹级数值进行修正包括：
用偏光仪读出光弹性试验各点的模型应力条纹级数值；
从载荷与条纹级数值的拟合曲线中得出初始应力条纹级数值；
光弹性试验的模型应力条纹级数值减去初始应力条纹级数值得到修正后的模型应力条纹级数值。
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