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数字光弹应力自动分离方法的研究及其在接触问题中的应用

作　者: 纪可
导　师: 计欣华
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 八步相移法数字光弹等差线等倾线汽轮机叶根和轮槽应力自动分离接触应力
分类号: O344.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

光弹性法(Photo-elasticity)是解决复杂工程结构应力分析的有效实验方法,它以独特的优势被工程界和学术界所青睐,因为该方法是目前唯一可应用到工程中的分析物体内部应力的实验方法。但是利用冻结切片获取模型应力分布存在诸多问题,如处理实验数据时的耗时、繁琐,要逐点处理而导致精度不高。因此,随着计算机视频和图像处理技术的发展,数字光弹法测量应力自动化技术成为新的研究热点。本文在结合前人工作的基础上,主要针对数字光弹法中等差线与等倾线信息互相影响、全场等倾角的自动确定、平面模型三个应力分量的自动分离以及汽轮机叶根轮槽接触区域应力分布等问题进行了讨论,探讨从图像采集到应力分离的全程自动化的方法。本文以相移法(Phase Shifting Technique)为实现数字光弹法的基本出发点。由于Patterson和Wang的光弹性六步相移法中等倾线信息受到整数和半数级等差线的影响,张丽娜针对此问题提出了八步相移法。该方法从理论上解决了等倾线(范围在[ 0,π2])信息受各级次等差线干扰的问题,得到全场等倾线参数,且提出了确定模型切片的第一次主应力方向的有效方法。相移法中等倾角是由反正切运算获得,通过求反正切运算的规则,分析并调整得到能反映全场第一次主应力方向的真实等倾角信息。本文分别用计算机仿真模拟和实验验证了该方法的可行性,并首次将该方法应用到工程实际中。在主应力方向和主应力差获取后,本文讨论了利用剪应力差法实现全场应力分离的自动化问题,根据剪应力差法的原理编制了平面模型应力自动分离程序包,并运用模拟与真实的光弹性图像对该程序包的计算结果进行了验证,对误差进行了分析。最后,使用以上方法和程序分析汽轮机叶根、轮槽的接触应力,得到了该模型三个应力分量的全场数值,并讨论了叶根和轮槽接触区域的应力分布细节、该平面模型的Mises等效应力和轮缘各齿承担的载荷,为叶根轮槽连接结构设计提供了重要依据,对数字光弹法在工程问题中的运用进行了探讨。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-14
  1.1 本课题的研究背景  8-9
  1.2 数字光弹性法存在的问题以及国内外研究现状  9-12
    1.2.1 等差线条纹级次的确定  10-11
    1.2.2 等倾角（第一主应力方向）的确定  11-12
    1.2.3 数字光弹法中的应力自动分离  12
  1.3 本文的主要研究内容  12-14
第二章平面模型全场光弹性信息的获取  14-30
  2.1 引言  14-16
  2.2 若干基本概念的讨论和约定  16-17
  2.3 数字光弹性八步相移法  17-25
    2.3.1 八步相移法原理  18-19
    2.3.2 对径受压圆盘和方板的模拟仿真  19-23
    2.3.3 对径受压圆盘的实验验证  23-25
  2.4 第一主应力方向（等倾角）的确定  25-29
    2.4.1 等倾角的调整方法  26-27
    2.4.2 实验验证  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章平面数字光弹法的应力分离  30-39
  3.1 引言  30-31
  3.2 剪应力差法的原理  31-32
  3.3 剪应力差法数值的计算步骤  32-35
  3.4 实验验证  35-36
  3.5 误差原因分析  36-37
  3.6 本章小结  37-39
第四章轮机叶根、轮槽接触应力的数字光弹分析  39-49
  4.1 引言  39
  4.2 模型制备、设计  39-40
  4.3 平面模型的数字光弹法测量  40-48
    4.3.1 叶根平面模型的主应力差和主应力方向的确定  40-43
    4.3.2 叶根模型应力状态的计算  43-44
    4.3.3 叶根各齿承担载荷的计算  44-45
    4.3.4 叶根接触区域的应力计算  45-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章总结与展望  49-52
  5.1 本文工作总结  49-50
  5.2 展望与不足  50-52
参考文献  52-57
致谢  57

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