Большая Советская Энциклопедия (ПО)

Поляризационно-оптический метод исследования

Поляризацио'нно-опти'ческий ме'тод иссле'дования напряжении, метод изучения напряжений в деталях машин и строительных конструкциях на прозрачных моделях. Основан на свойстве большинства прозрачных изотропных материалов (стекло, целлулоид, желатин, пластмассы — оптически чувствительные или пьезооптические материалы) становиться при деформации оптически анизотропными, т. е. на возникновении искусственного двойного лучепреломления (т. н. пьезооптического эффекта). Главные значения тензора диэлектрической проницаемости линейно связаны с главными напряжениями. Так, например, для пластинки, нагруженной в своей плоскости, одно главное напряжение s_з , направленное нормально к пластинке (рис. 1 , а), равно нулю и одна из главных плоскостей оптической симметрии совпадает с плоскостью пластинки. Если на пластинку D в круговом полярископе (рис. 2 ) падает свет перпендикулярно к её плоскости, то оптическая разность хода равна: D = d (n₁ — n₂ ) или D = cd (s₁ — s₂ ), где d — толщина пластинки, (s₁ и s₂ — главные напряжения, с — т. н. относительный оптический коэффициент напряжений. Это уравнение (т. н. уравнение Вертгейма) — основное при решении плоских задач П.-о. м. и. При просвечивании монохроматическим светом в точках интерференционного изображения модели, в которых D = m l (m — целое число), наблюдается погашение света; в точках, где D = (2m + 1)l/2, — максимальная освещённость. На изображении модели (рис. 3 ) получаются светлые и тёмные полосы разных порядков m (картина полос). Точки, лежащие на одной и той же полосе, имеют одинаковую D, т. е. одинаковые s₁ — s₂ = 2t_мах = D/cd (гдеt_мах — максимальные скалывающие напряжения). При белом свете точки с одинаковыми t_max соединяются линиями одинаковой окраски — изохромами.

Для определения s₁ — s₂ (или t_max ) в данной точке достаточно определить с для материала модели и измерить компенсатором D или можно определить (s₀ модели и подсчитать порядок полосы m (s₀ = l/cd — разность главных напряжений в модели, вызывающих разность хода D = l; с и s₀ получают при простом растяжении, сжатии или чистом изгибе на образцах из материала модели). Т. к. при нормальном просвечивании плоской модели можно получить только разность главных напряжений и их направление, то для определения (s₁ и s₂ в отдельности существуют дополнительные физико-механические способы измерения (s₁ + s₂ , а также графовычислительные методы разделения (s₁ и s₂ по известным s₁ — s₂ и их направлению, использующие уравнения механики сплошной среды.

Для исследования напряжений на объёмных моделях применяется более сложная техника эксперимента. Объёмная модель часто исследуется с применением метода «замораживания» деформаций. Модель из материала, обладающего свойством «замораживания» (отверждённые эпоксидные, фенолформальдегидные смолы и др.), нагревается до температуры высокоэластического состояния, нагружается и под нагрузкой охлаждается до комнатной температуры (температуры стеклования). После снятия нагрузки деформации, возникающие в высокоэластическом состоянии, и сопровождающая их оптическая анизотропия фиксируются. Наглядно описать это явление можно при помощи условной двухфазной модели материала. При нагреве до 80—120 °С (высокоэластическое состояние) одна часть материала размягчается, другая остаётся упругой. Нагрузке, приложенной к нагретой модели, противостоит неразмягчающийся скелет. При охлаждении нагруженной модели до комнатной температуры размягчающаяся часть снова застывает («замораживается») и удерживает деформацию в скелете после снятия нагрузки. «Замороженную» модель распиливают на тонкие пластинки (срезы) толщиной 0,6— 2 мм, которые исследуют в обычном полярископе.

Применяется также метод рассеянного света, при котором тонкий пучок параллельных лучей поляризованного света пропускается через объёмную модель и даёт в каждой точке на своём пути рассеянный свет, который наблюдается в направлении, перпендикулярном к пучку. Состояние поляризации по линии каждого луча от точки к точке меняется соответственно напряжениям в этих точках. Существует метод, при котором в изготовленную из оптически нечувствительного к напряжениям прозрачного материала (специальные органические стекла) объёмную модель вклеивают тонкие пластинки из оптически чувствительного материала. Измерения во вклейках проводят, как на плоской модели, — с просвечиванием нормально или под углом к поверхности вклейки.

Описанный П.-о. м. и. применяется для изучения напряжений в плоских и объёмных деталях в пределах упругости в тех случаях, когда применение вычислительных методов затруднено или невозможно. П.-о. м. и. напряжений используется для изучения пластических деформаций (фотопластичность), динамических процессов, температурных напряжений (фототермоупругость), для моделирования при решении задач ползучести (фотоползучесть) и др. нелинейных задач механики деформируемого тела.

Разработан также метод оптически чувствительных наклеек (слоев), наносимых на поверхности натурных деталей. Слой оптически чувствительного материала наносится на поверхность металлической детали или её модели в жидком виде и затем подвергается полимеризации или наклеивается на деталь в виде пластинки; это обеспечивает равенство деформаций нагруженной детали и покрытия. Деформации в покрытии определяются по измеренной в нём разности хода в отражённом свете при помощи односторонних полярископов.

Так как П.-о. м. и. напряжений ведутся на моделях, то они заканчиваются переходом от напряжений в модели к напряжениям в детали. В простейшем случае s_дет = s_мод b/a² , где a и b — масштабы геометрического и силового подобий.

Лит.: Пригоровский Н. И., Поляризационно-оптический метод исследования распределения напряжений, в кн.: Справочник машиностроителя, т. 3, М., 1962; Александров А. Я., Ахметзянов М. Х., Поляризационно-оптические методы механики деформируемого тела, М., 1973.

В. И. Савченко

Рис. 2. Схема кругового полярископа: S — источник света, Р — поляризатор; D — пластинка; l/4 — компенсирующие пластинки; А — анализатор; Э — экран.

Рис. 1. Схемы: а — пластинки, нагруженной в своей плоскости; б — элемента объёма в напряжённом состоянии; s — нормальные; t — касательные напряжения.

Рис. 3. Картина полос при равномерном растягивании пластинки с круглым отверстием.