用光弹性法测定复合应力强度因子.pdfVIP

维普资讯 第 21卷 第 4期 实 验 力 学 Vo1．21 NO．4 2006年 8月 J()URNAL OFEXPERIMENTALMECHANICS Aug．2006 文章编号 ：1001-4888(2006)04—05I3-06 用光弹性法测定复合应力强度因子 赵大华，李华锋 (九江学院 土木工程与城市建设学院，江西 332005) 摘要 ：工程结构裂纹尖端应力强度因子 (SIF)由于形状、荷载的复杂性及边界条件 的不确定性 ， 难 以用解析法得到，数值计算也有困难，而光弹性法弥补 了上述方法的不足。本文用环氧树脂 制作 圆轴模型，采用机加工的方法制作 圆轴模型裂纹，然后将加载模型进行应力冻结，通过光弹 性实验研究分析 了圆轴裂纹尖端应力分布 。由于带环形裂纹的圆轴在弯扭组合变形时，离中性 轴最远的裂纹尖端处于复合裂纹状态，而三维光弹性应力冻结法是测定复杂三维问题复合裂纹 的有效方法。本文用双参数法测定 I型应力强度因子，用切片逐次削去法测定Ⅲ型应力强度 因 子 ，实验误差较小 。 关键词：应力强度因子；光弹性法；双参数法；切片逐次削去法 中图分类号 ：O342 文献标识码：A 0 引言 断裂问题广泛存在于航天、航空、航海、兵器、机械、化工、土木、能源、交通、地质和微 电子等众多领 域[3]。这些都无疑是工程中的一大隐患。而裂纹尖端应力强度因子 (简称 SIF)是解决这些断裂问题 的主要判别依据(简称 K判据)。虽然 目前数值方法在确定应力强度因子中应用广泛，但计算所需时间 长，而且在复杂的边界条件下，还会因为遇到数学方面的困难而使问题一时得不到解决。就此而言，简 便易行的方法是光弹性法，目前用光弹性法测量复合应力强度因子有三维光弹性应力冻结法、全息光弹 性法、数字光弹性法等。而其中三维光弹性应力冻结法仍是测定复合应力强度因子便捷有效的方法。 本文采用三维光弹性应力冻结法对圆轴受弯扭组合变形时，复合应力强度因子的测定进行了光弹性实 验，可为应力强度因子的光弹性法实验研究提供借鉴。 1 计算公式 含裂纹尖无限体在任意远场外力作用下，其应力强度因子 KI， KⅡ可以由垂直于裂纹面的切片xoy的光弹实验数据求得。而KⅢ由 yoz切片确定。如图1所示 。 1．1 应力强度因子KI，KⅡ的计算公式 应力强度因子与光弹性实验资料的关系为[1]： 2 ax) 一 1 (KIsin04-2K Ⅱcos0)。-4 (K ⅡsinO) 图 l 裂纹尖端 0点坐标系 = Fig．1 0pointcoordinatesystem ofthecracktip * 收稿 日期 ：2005—07-23；修订 日期 ：2006—05—28 通讯作者：赵大华(1964一)，男，工学硕士，九江学院土木工程与城市建设学院讲师，研究方向为工程应力分析与检测。 维普资讯 514 实 验 力 学 (2006年)第 21卷 对式(1)进行微分，*爪~--SS-一0，当取环的顶点m时得 ()4I{KKII／cot2一号：。 (2) 联立式(1)、(2)可以由裂纹尖端的任一条纹环求得KI，KⅡ的值。 上述式中r，0为裂纹尖端附近在xoy平面内的极坐标参数；v为材料的泊松 比。 ：、a：为在模型的 xoy切片上，沿着 z方向作垂直透射时测得的等差线条纹级数和代表次主应力方向的等倾线参数。 、 a为对yoz切片沿着X方向作垂直透射时