[科普中国]-光测力学

简介

光测力学是应用光学原理来研究结构应力的一门学科，1852年麦克斯威尔根据1816年布鲁斯特发现的人工双折射效应，在实验验证的基础上总结出了应力——光定律，直接建立了光干涉现象与应力状态的对应关系。光测弹性力学从此开始了它的发展。应用和开拓新领域的漫长历程，经过半个多世纪的探索，特别是自从激光器问世以来，全息照相技术的迅速发展及其与光弹性法的结合运用，逐渐形成了一门具有自身特色的独立性学科——光测力学。

光测应力分析方法可分为光弹性法、全息干涉与散斑干涉法，密栅云纹法以及它们之间相互渗透所派生出的分析方法。光弹性法的基本原理是：当用具有双折射效应的透明塑料制成的模型，在荷载作用下至于白光发源的圆偏振光场中，模型中将呈现出一族彩色的干涉条纹图像，一条颜色相同的条纹上，各点的光程差都相等，故称之为等色线。等色线上所有的点，其主应力差都相等，因此，等色线也叫做等差线。在平面振光场中，可以获得确定主应力方向的等倾线。之所以称为等倾线是因为线上各点的主应力方向都是相同的。光弹性法是光测力学中能够直接获得应力的唯一方法，全息干涉、散斑干涉以及密栅云纹法等光测技术则是用来测定结构变形的有效方法。1

光弹性法光弹性法是以模型的光学的光学条纹图显示出所研究的结构内的力学量的大小和分布规律。它是一种全场性测量法。将具有双折射效应的透明塑料制成的结构模型置于偏振光场中，当给模型加上载荷时，即可看到模型上产生的干涉条纹图。测量此干涉条纹，通过计算，就能确定结构模型在受载情况下的应力状态。

散斑干涉法实验应力分析方法的一种。漫反射表面被激光照明时，在空间出现随机分布的亮斑和暗斑，称为散斑。散斑随物体的变形或运动而变化，就可以高度精确地检测出物体表面各点的位移。这就是散斑干涉法。

密栅云纹法所谓云纹，即指当两块刻有密集平行线条的透明板（称密栅板）重叠起来后，对着亮的背景看去，就会看见有明暗相间条纹出现，这明暗相间的条纹就称之为云纹。

密栅云纹法是一种新的试验力学方法。它是利用光学相干原理产生的明暗相间的条纹来测量各种机械量和物体的变形规律。它的优点是在于对被测材料无特殊性能要求，能用于各种不同性质的变形测量。方便较简便，便于用计算机处理。

发展我国从五十年代开始对光弹性塑料和光弹性仪进行探索研制，并将光弹性技术应用于解决工程结构的应力分析。

六十年代，对应力的量测与补偿方法，三维光弹性模型精密铸造的成型工艺，动应力的光弹性测试技术等开展了广泛的研究。模拟各种断层的变弹性模量材料的研究也得到了进一步的发展。

七十年代以来，是我国光测力学处于蓬勃发展的时期，也是在工程研究方面获得广泛应用的年代，在这段时间里，对全息干涉法进行了多方面的探索，并应用于检测和振动分析，将改进了的光弹性应变计用于水工建筑物的现场测试，系统地完善了光测实验装置。光测试验技术已成为工程结构应力分析的一种常规方法。

八十年代光测力学的研究朝着纵深发展，光学滤波与载波的应用及光学信息处理的进展，多脉冲全息照相装置和多火花光弹仪的研制成功，模型加工制作的机械化以及数据采集与处理的程序化和自动化，为结构光测动、静力分析提供了必要的条件和开拓了美好的发展前景。2

特点优点直观性强，结构中的应力分布一目了然；能够迅速得到边界应力，接触应力和应力集中的问题迎刃而解；对结构的几何设计和优化设计经济、省时且有效；复杂结构和复杂边界构成的应力分析特别有效；对三维位移测量和无损检测精确和快捷；非接触式的现代光学测振，抗干扰性强。

缺点复杂模型制作比较困难，光测力学方法的形成和发展比电测晚，应用有待扩大，现代光测方法的发展非常迅速，各种方法仍需不断成熟。