光弹塑性材料的制备与实验研究.docx
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光弹塑性材料的制备与实验研究
光弹塑性材料的制备与实验研究
摘要光弹性材料主要用来研究弹性变形应力分布,光塑性材料主要用来研究塑性变形应力分布,但是在实际应用中,大多数构件的变形以弹塑性变形为主,因此,有必要制备一种光弹塑性材料来研究构件的弹塑性变形时的应力问题。
本文基于光弹法,通过改变环氧树脂、固化剂、增塑剂的质量比制备了四组不同配比的光弹塑性材料;通过拉伸实验得到了增塑剂质量比分别为50,60,80的光弹塑性材料的应力—应变曲线,并计算得出其弹性模量E和泊松比μ。
以1:
5的比例制备了光弹塑性钢轨模型,计算分析了重轨轨头应力分布,进行了静力校核。
观察了光弹塑性材料在加载卸载过程中的应力条纹图的变化,通过圆盘法计算了四组比例下的光弹塑性材料的条纹值。
关键词光弹塑性材料;环氧树脂;重轨;应力
AbstractThephoto-elasticmaterialmainlyusestobestudiedthestressdistributionofelasticdeformationwhenthephoto-plasticmaterialmainlyusestobestudiedthestressdistributionofplasticdeformation.Butinthepracticalapplication,mostofthecomponentsaremainlyelastic-plasticdeformation,soitisnecessarytomakenewphoto-elasticmaterialtostudythestressproblemwhenthecomponentinelastic-plasticdeformation.
Andbasedonthephoto-elasticmethod,bychangingtheepoxyresin,thefirmingagent,theplasticizermassratio,Wepreparedfourgroupofdifferentallocatedproportionlightelastic-plasticmaterial;obtainedtheplasticizermassratiothroughthestretchexperimentrespectivelyis35,60,80lightelastic-plasticitymaterialstress-straincurve,andcalculatesobtainsitselasticitycoefficientEandthePoisson'sratio.Madethelightrailstraighteningelastic-plasticmodelPreparationbya1:
5ratio,andthecomputationhasanalyzedtheheavyaxleheadoftherailstressdistribution,hascarriedonthestaticexamination..Observedthestressedcordchartchangeofthelightelastic-plasticitymaterialduringloadandunloadprocess,calculatedthestripevalueoffourgroupofproportionlightelastic-plasticitymaterialthroughthedisclaw.
KeywordsLightelastic-plasticitymaterial;Epoxyresin;Heavyaxle;Stress
1文献综述
前言
光弹性法获得结构物的各种力学量是工程技术中的基本问题,虽然在工程力学中已经建立了一系列理论分析的方法,但是在很多高新技术领域中所需用的结构物,几何形状特别复杂,载荷情况和工作环境(高温、高压、地下、液中、强磁场、强辐射、动态等)也越来越多样,致使理论分析十分困难;因此,采用实验的办法就显得尤为重要,甚至是唯一的手段了。
经过一段时间试验,证明利用光弹塑性法可以用来模拟一些复杂构件的受力分析,例如钢轨的矫直过程。
光弹性法显出了极大的优越性,不但有效、方便,而且也是最经济的方法[1]。
基于光弹法,通过改变光弹性材料的配比,制备了光弹塑性应力材料。
以1:
5的比例制备了光弹塑性钢轨矫直模型。
计算分析了轨头的应力,进行了静力校核。
1.2本文研究问题的提出与研究内容
光弹性法的应用已经有了一段时间,在经典光弹性法上人们又提出了光塑性法。
目前,常用的光弹性材料主要是环氧树脂,光塑性材料主要是聚碳酸酯。
光弹性法主要研究的是弹性变形应力分布,光塑性变形主要研究的是塑性变形应力分布。
但是实际生活很多构件的变形既有弹性变形又有塑性变形,例如重轨矫直过程。
所以很有必要制备一种新型的光弹塑性材料来研究构件弹塑性变形过程中的应力变化和残余应力。
主要研究内容为:
1)改变环氧树脂﹑顺丁烯二酸酐﹑邻苯二甲酸二丁脂的比例,研制新型的光弹塑性材料,计算条纹值,控制图案保留时间。
2)做拉伸实验,研究新光弹塑性材料的力学性能
3)计算应力值﹑绘制应力图
4)用光弹塑性材料制成钢轨模型,计算轨头的应力,进行静力校核。
2光弹塑性试样的制备与条纹测定
2.1试样制备
改变环氧树脂,增塑剂,固化剂三者的重量比制作四组不同的光弹塑性材料。
实验目的是测定应力-应变曲线和泊松比。
本实验采用光弹仪观察应力条纹。
表2.1四组不同光弹塑性材料的成分比
编号
成分
1
2
3
4
环氧树脂
100
100
100
100
顺烯丁二酸酐
35
40
40
35
邻苯二甲酸二丁酯
30
60
80
50
N-N-二甲基苯胺
0.1
0.2
0.4
0.2
2.2实验结果
图2.11#光弹性材料圆盘在不同受力条件下的等色线条纹图
图2.21#光弹性材料圆盘在不同受力条件下的等线条纹图
图2.32#光弹性材料圆盘在不同受力条件下的等色线条纹图
图2.42#光弹性材料圆盘在不同受力条件下的等差线条纹图
图2.53#光弹性材料圆盘在不同受力条件下的等色线条纹图
图2.63#光弹性材料圆盘在不同受力条件下的等差线条纹图
图2.1-2.6是1-3号试样的应力条纹图。
通过拉伸实验获得了1-3号试样的应力-应变曲线,如图2.7-2.9。
图2.71#试样的应力—应变曲线图2.82#试样的应力—应变曲线
图2.93#试样的应力--应变曲线
从图2.7可以看出1#有明显的弹性阶段和塑性阶段。
从图2.8可以看出2#也有弹性阶段和塑性两个阶段;由图2.9可以看出3#配比下的环氧树脂没有明显的弹性阶段,而是以塑性变形为主。
相比之下,1#和3#配比下的光弹塑性材料的应力--应变曲线与钢的应力--应变曲线比较相似,尤其1#更比较符合室温下钢的变形。
从上面的曲线图可以计算出弹性模量E,具体值见表2.2。
表2.2弹性模量值
弹性模量
1#
2#
3#
E(MPa)
320
25.5
20
利用泊松比公式
计算了1-3号试样的泊松比见表2.3
表2.3泊松比
泊松比
1#
2#
3#
(MPa)
0.2767
0.3872
0.7056
从上面的结果可以看出,1#材料的泊松比与钢的泊松比相近且在固化剂都为40的情况下,随着增塑剂的增多,泊松比逐渐增大。
表明选择配比1#制作钢轨模型是合理的。
3重轨模型模拟受力计算
3.1实验方案
(1)等色线的测定
将钢轨置于光弹仪下,以不同载荷加载,将拍摄的应力等色线图组合成图3.1。
以8KG为例计算钢轨的受力。
切片厚度为7mm。
将钢轨模型置于圆偏振光场中,拍照记录钢轨应力冻结下的静态等色线图,如图3.2。
图3.1不同载荷下的钢轨等色线图
图3.2等色线
(2)等倾线测定
将钢轨模型置于平面偏振光场中,以每10°为单位,从0°旋转模型至80°,拍照记录下不同角度静态等倾线图,如图3.3。
根据钢轨等倾线的规律,将上图中的等倾线图绘制在一个图中,如图3.4所示。
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
80°
图3.3不同角度静态等倾线
图3.4等倾线
3.2计算及结果分析
截取轨头的一部分,由于模型是对称图形,所以只计算其中的一半就可以了,然后分别画出AB,CD,OP各位置的等差线(等色线)和等倾线的分布图,如图3.5所示,根据上述过程计算,可得计算结果如表3.1所示。
图3.5轨头计算用的等倾线和等差线图
表3.1轨头OP截面上8个点的应力单位转换表
点号
(条)
(kg/cm2)
(条)
(kg/cm2条)
(条)
(kg/cm2条)
0
0.762
11.56
0.762
11.56
0
0
1
0.762
11.56
0.762
11.56
0
0
2
0.713
10.82
0.713
10.82
0.20
3.034
3
0.676
10.26
0.592
8.981
0.599
9.087
4
1.283
19.46
0.847
12.85
1.231
18.67
5
1.695
25.71
0.812
12.32
1.538
23.33
6
2.704
41.02
0.904
13.71
1.559
23.65
7
3.739
56.72
-1.733
-26.29
1.338
20.30
8
4.109
62.33
0.073
1.107
0.580
8.80
图3.6钢轨试样OP截面上的应力分布图
静力平衡校核:
根据内力与外力必须平衡的条件,对已得结果进行较核,以估计结果的误差。
按
分布曲线计算OP截面铅垂方向的内力,它的二倍应与外载荷平衡。
即内力等于
,
式中
是
曲线下所包的面积,在本实验中可以用近似积分法求得
,然后得出最后结果
=9.34,已知P=8kg,
则误差为:
计算结果与实际加载的力相差不大,基本符合,说明制备的光弹塑性材料符合要求。
4总结
(1)配比为100:
40:
60的试样其内部应力条纹在卸载以后能长时间能保留,该材料的这一特性可以用于构件在发生弹塑性变形后内部残余应力的研究。
(2)改变增塑剂的配比所制备的光弹塑性材料能发生明显的弹塑性变形,其抗拉强度随着增塑剂量的增加而减小。
当环氧树脂:
固比剂:
增塑剂重量比为100:
35:
30时,光塑性弹塑性材料的应力-应变曲线与钢的相似,符合相似理论,为模拟钢的弹塑性变形提供了可行性。
(3)当环氧树脂:
固比剂:
增塑剂=100:
35:
30时,光弹塑性材料的泊松比与钢相近,符合相似理论,因此利用该配比制作光弹塑性材料模拟钢轨的矫直变形。
(4)用剪应力差法计算钢轨试样,得到了某一截面上的应力分量和应力分布图。
得出计算结果与实际加载的力基本符合,说明制备的光弹塑性材料符合要求。
参考文献
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12-15.
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- 塑性 材料 制备 实验 研究
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