全息光弹性法

实验应力分析方法

将全息照相和光弹性法相结合而发展起来的一种实验应力分析方法。在全息光弹性法中，用单曝光法能给出反映主应力差的等差线；用双曝光法能给出反映主应力和的等和线。根据测得的等差线和等和线的条纹级数，便可计算出模型内部的主应力分量。

简介

历史

20世纪60年代后期，M.E.福尔内、J.D.奥瓦内西翁等人将全息照相用于光弹性实验，获得了等和线条纹以及等和线和等差线的组合条纹。后来，许多学者应用组合条纹分析平面应力问题。

原理

全息光弹性法所用的全息光弹性仪，其光路（图1）中布置有偏振元件，能获得具有偏振特性的物光和参考光。透过模型的物光和参考光，在全息底片上干涉而成包含着物光波阵面信息的全息图，经过曝光、显影和定影以后的全息底片，再用参考光照射，便可再现物光波阵面。如经两次曝光，将模型承受应力和不受应力两种状态的物光波阵面记录在同一张全息底片上，再现时便可以同时再现承受应力和不受应力两种状态的物光，并获得反映应力分布的两组物光干涉而得的条纹。

分类

全息光弹性法常用的方法有：单曝光法、双曝光法C. 双模型法、旋光器法。

A. 单曝光法

设模型不受应力时，物光波阵面ω0为平面，模型承受应力之后，透过的物光会在模型的两个主应力方向分解成两束平面偏振光,其波阵面为ω1和ω2(图2)。对承受应力的模型进行单次曝光全息照相后,用参考光照射全息底片,可以再现物光波阵面ω1和ω2。由于这两个光波具有和参考光相同的偏振特性，故产生干涉，所形成的干涉条纹反映两个光波ω1和ω2的光程差⊿c=⊿2－⊿1，其光强度为：

式中K为常数，N0为等差线条纹级数。

B. 双曝光法

在全息底片上，对模型加载前后两种状态进行两次曝光，可以在一张全息底片上，同时记录下模型不受应力时的物光 ω0和承受应力后的物光ω1和ω2。用参考光照射这张全息底片，便可以同时再现ω0、ω1和ω2三个物光的波阵面，并互相干涉而形成组合干涉条纹。这种组合条纹，可看作是这三种光波中任何一对光波的干涉条纹的组合。两次曝光获得的干涉条纹同主应力差和主应力和都有关，它是由等和线条纹和等差线条纹调制而成的组合条纹。

C. 双模型法

上法获得的是组合条纹，如作定量分析，还须将等差线和等和线分离开来。一种简便易行的分离方法是双模型法，即用具有光学灵敏性的材料制作的模型，通过单曝光法获得等差线，再用不具有光学灵敏性的材料（如有机玻璃）制成同样的模型，通过双曝光法获得等和线。这种方法的优点是光路系统比较简单，缺点是两个模型的几何尺寸和加载条件不容易完全一致而发生误差。

D. 旋光器法

另一种常用的方法是采用旋光器。第一次通过模型的物光可以看作是两束互相垂直的平面偏振光。两束光通过旋光器,它们的偏振面都会旋转90°,当它们再由半反射镜反射而第二次通过模型时，原来快轴方向的偏振光转为慢轴方向，而慢轴方向的偏振光转为快轴方向。因此，这两束光在第二次通过模型时会产生符号相反的相对光程差,使最后总的相对光程差为零,等差线消失。而等和线的条纹级数则由于物光两次通过模型而增加一倍。此外，由于采用半反射镜，可以同时用普通照相机拍摄第一次透过模型后的物光而获得等差线。常用的旋光器有两种：采用离轴光路的石英旋光器和采用同轴光路系统的法拉第效应旋光器(图3)。

用途

全息光弹性法可用于静态应力测量, 还可用于动态应力测量。采用脉冲激光器作光源进行的全息光弹性实验，可以同时记录动态载荷作用下瞬态的等和线和等差线，为分离动态的主应力分量提供了新的途径。将全息光弹性用于测量热应力问题时，不仅能获得等和线，便于主应力的分离，且能获得和模型厚度变化相关联的温度场分布。此外，应用此法还可通过等和线测定裂纹尖端的应力强度因子。

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