三维光弹性测试方法.pdf

本公开提供了一种三维光弹性测试方法。该方法包括：S1.制备待进行应力分析的构件的局部部分的光弹性试验模型；S2.依据测试内容，选取对应的测试模块构成光弹性试验模型的加载装置，并对所述光弹性试验模型进行冻结加载；S3.对所述局部部分进行数字化分析，以及对所述局部部分的光弹性试验模型的切片平面进行应力分析，并对两种分析结果进行比较。本公开简化了现有技术流程，试验周期显著缩短。

1.  一种三维光弹性测试方法，其特征在于，包括：
S1.制备待进行应力分析的构件的局部部分的光弹性试验模型；
S2.依据测试内容，选取对应的测试模块构成光弹性试验模型的加载装置，并对所述光弹性试验模型进行冻结加载；
S3.对所述局部部分进行数字化分析，以及对所述局部部分的光弹性试验模型的切片平面进行应力分析，并对两种分析结果进行比较。

2.  根据权利要求1所述的三维光弹性测试方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11.基于光弹性试验模型的真空浇注工艺方法成型所述待进行应力分析的构件的光弹性试验模型毛坯；
S12.自所述光弹性试验模型毛坯中选取所述局部部分进行机械加工，得到所述局部部分的光弹性试验模型。

3.  根据权利要求2所述的三维光弹性测试方法，其特征在于，所述局部部分之外的部分采用等效体进行代替。

4.  根据权利要求1所述的三维光弹性测试方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11.获取待进行应力分析的构件的所述局部部分的阴模；
S12.基于光弹性试验模型的真空浇注工艺方法对所述阴模进行真空浇注得到所述局部部分的光弹性试验模型。

5.  根据权利要求1所述的三维光弹性测试方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21.提供施加拉力载荷的测试模块、施加压力载荷的测试模块、施加弯曲载荷的测试模块、施加扭转载荷的测试模块、施加离心载荷的测试模块中的一种或多种；
S22.依据测试内容，选取对应的测试模块构成光弹性试验模型的加载装置，并对所述光弹性试验模型进行冻结加载。

6.  根据权利要求5所述的三维光弹性测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，施加离心载荷测试时，光弹性试验模型冻结过程中同时采用辅助模型进行冻结加载。

7.  根据权利要求1-6任意一项所述的三维光弹性测试方法，其特征在于，所述数字化分析为有限元分析。

8.  根据权利要求7所述的三维光弹性测试方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S31.对所述待进行应力分析的构件的局部部分进行有限元分析；
S32.从所述有限元分析的应力值最大的方向切片，切片平面为最大应力面；
S33.对所述局部部分的光弹性试验模型的最大应力面进行应力分析，对所述有限元分析和应力分析的结果进行比较，并比较两种分析结果。

9.  根据权利要求8所述的三维光弹性测试方法，其特征在于，其中，进行离心载荷测试时，采用应力条纹级数值的处理方法对所述应力分析结果进行处理。

10.  根据权利要求8或9所述的三维光弹性测试方法，其特征在于，所述比较两种分析结果包括：比较所述有限元分析和应力分析的结果的分布趋势及比较所述有限元分析和应力分析的结果中的最大应力值。

三维光弹性测试方法
技术领域
本公开涉及试验力学技术领域，特别涉及一种三维光弹性测试方法。
背景技术
在我国航空动力工程的发展中，三维光弹性测试方法在产品设计、改进、生产、使用等各个环节都得到应用，它对设计水平的提高、产品质量的控制、使用安全性的提高起了积极的作用，产生了较大的经济效益和社会效益，已经成为航空发动机等部件结构强度分析的重要手段。但航空动力工程中还存在一系列复杂的力学问题尚待解决，仅仅依靠成熟的、单一的手段难以解决面临的复杂的实际问题，必须发展新方法、新技术并综合运用各种试验和理论分析、数值计算等方法，才能达到目的。它必须不断提高精度、简化方法、缩短周期，综合考虑所要达到的标准及所需获得的数据、费用和时间。
现有三维光弹性测试方法主要包括选用制造环氧树脂模型的原材料、通过浇注方式或机械加工方式制造模型、模型的冻结加载、模型的切片、模型在任意载荷下应力的确定等步骤。其中，光弹性模型的浇注工艺常用二次固化法。模型制作完毕后，需进行退火，减少模型中存在的初始应力。模型加载装置分为通用及专用两种，加载装置应保证加于模型上的载荷与实物载荷严格一致。模型在任意载荷作用下应力的确定包括基本数据的测取和基本方程的建立以及补充方程式的建立。
多年以来，传统的三维光弹性测试方法在国内的应用深度与广度均不如英、美等发达国家，主要原因如下：
1)三维光弹性测试方法技术环节多，工程性很强，掌握这门技术需要的时间比较长。
2)进行三维光弹性冻结试验时，常需要设计加工专用加载装置；
3)三维光弹性测试成本高，试验周期长。
发明内容
本公开的目的在于提供一种技术流程简化、试验周期短的三维光弹性测试方法，从而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或多个问题。
本公开的其它特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的第一方面，一种三维光弹性测试方法，包括：
S1.制备待进行应力分析的构件的局部部分的光弹性试验模型；
S2.依据测试内容，选取对应的测试模块构成光弹性试验模型的加载装置，并对所述光弹性试验模型进行冻结加载；
S3.对所述局部部分进行数字化分析，以及对所述局部部分的光弹性试验模型的切片平面进行应力分析，并对两种分析结果进行比较。
本公开的一种示例性实施例中，所述步骤S1包括：
S11.基于光弹性试验模型的真空浇注工艺方法成型所述待进行应力分析的构件的光弹性试验模型毛坯；
S12.自所述光弹性试验模型毛坯中选取所述局部部分进行机械加工，得到所述局部部分的光弹性试验模型。
本公开的一种示例性实施例中，所述局部部分之外的部分采用等效体进行代替。
本公开的一种示例性实施例中，所述步骤S1包括：
S11.获取待进行应力分析的构件的所述局部部分的阴模；
S12.基于光弹性试验模型的真空浇注工艺方法对所述阴模进行真空浇注得到所述局部部分的光弹性试验模型。
本公开的一种示例性实施例中，所述步骤S2包括：
S21.提供施加拉力载荷的测试模块、施加压力载荷的测试模块、施加弯曲载荷的测试模块、施加扭转载荷的测试模块、施加离心载荷的测试模块中的一种或多种；
S22.依据测试内容，选取对应的测试模块构成光弹性试验模型的加载装置，并对所述光弹性试验模型进行冻结加载。
本公开的一种示例性实施例中，所述步骤S2中，施加离心载荷测试 时，光弹性试验模型冻结过程中同时采用辅助模型进行冻结加载。
本公开的一种示例性实施例中，所述数字化分析为有限元分析。
本公开的一种示例性实施例中，所述步骤S3包括：
S31.对所述待进行应力分析的构件的局部部分进行有限元分析；
S32.从所述有限元分析的应力值最大的方向切片，切片平面为最大应力面；
S33.对所述局部部分的光弹性试验模型的最大应力面进行应力分析，对所述有限元分析和应力分析的结果进行比较，并比较两种分析结果。
本公开的一种示例性实施例中，其中，进行离心载荷测试时，采用应力条纹级数值的处理方法对所述应力分析结果进行处理。
本公开的一种示例性实施例中，所述比较两种分析结果包括：比较所述有限元分析和应力分析的结果的分布趋势及比较所述有限元分析和应力分析的结果中的最大应力值。
相比于现有技术，本公开示例性实施例中的三维光弹性测试方法具有以下有益技术效果：
光弹性试验模型的制备实现“局部化”，降低了光弹性试验模型制备的成本。光弹性试验模型的冻结加载实现“模块化”，减少了设计加工光弹性试验模型加载装置的时间与成本；以及，对有限元分析和应力分析的结果进行比较，简化了现有技术流程，减少了应力分离和补充方程式的建立等环节，试验周期显著缩短，进而使得试验成本降低，周期缩短，十分有利于本方法在航空发动机和传动系统中的应用，也有利于向其他行业推广。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开示例性实施例中一种三维光弹性测试方法的流程示意图。
图2是本公开示例性实施例中燃气涡轮工作叶片原型的结构示意图。
图3是本公开示例性实施例中燃气涡轮工作叶片光弹性试验模型的结构示意图。
图4A及4B是本公开示例性实施例中燃气涡轮工作叶片辅助模型的结构示意图。
图5是本公开示例性实施例中燃气涡轮工作叶片光弹性试验模型的冻结加载图。
图6是本公开示例性实施例中燃气涡轮工作叶片榫头部分的切片平面及测点。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。然而，示例性实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例性实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的组件、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构以避免模糊本公开的各方面。
针对现有技术中三维光弹性测试的试验方法本身复杂，技术难度大，同时试验成本高和试验周期长，影响该技术在航空发动机和传动系统中广泛应用的问题，本示例实施方式中提供一种技术环节少、试验成本低、周期短，有利于推广应用的三维光弹性测试方法。
本示例性实施例中的三维光弹性测试方法主要分三个阶段，第一阶段是光弹性试验模型的制备，第二阶段是光弹性试验模型的冻结加载，第三阶段是模型应力的分析处理。参考图1中所示，该三维光弹性测试方法可以包括：
步骤S1.制备待进行应力分析的构件的局部部分的光弹性试验模型。
本示例实施方式中，光弹性试验模型的制备可以实现“真空化、局部化”，即从待进行应力分析的复杂构件中选取最有代表性和设计人员最关心的局部部分制备光弹性试验模型，并且，光弹性试验模型的制备过程中还可以引入真空浇注技术。
例如，所述步骤S1可以包括：
S11.基于光弹性试验模型的真空浇注工艺方法成型所述待进行应力分析的构件的光弹性试验模型毛坯。举例而言，为了保证光弹性试验模型尺寸和形状的精确性，三维光弹性测试一般需要通过机械加工方式制备成满足试验要求的光弹性试验模型。一种制备流程可以如下：根据需要浇注的光弹性试验模型毛坯的重量按照100：30～35的比例分别称好环氧树脂和顺丁烯二酸酐，然后把环氧树脂倒入真空浇注成型机(例如专利号为ZL200920311682.2的专利申请所提供的真空浇注成型机)的第一可控料斗，把顺丁烯二酸酐倒入真空浇注成型机的第二可控料斗，在真空浇注成型机的成型室放入光弹性试验模型毛坯模具(例如申请号为201410644944.2的专利申请所提供的光弹性试验模型毛坯模具)，按照光弹性试验模型的真空浇注工艺方法(例如专利号为ZL201210146044.6的专利申请所提供的真空浇注工艺方法)成型所述待进行应力分析的构件的光弹性试验模型毛坯。
S12.自所述光弹性试验模型毛坯中选取所述局部部分进行机械加工，得到所述局部部分的光弹性试验模型。举例而言，光弹性试验模型毛坯固化后就可以机械加工试验所需的光弹性试验模型。光弹性试验模型从可以原型整体中选取有代表性局部部分按照1：1的比例加工，原型过大或过小时也可按照比例进行缩小或放大，但模型与原型优选比例为1：1。由于现在试验时用到的光弹性试验模型尺寸精度都比较高，传统的常用加工方法难以达到精度要求，本示例性实施例中优选四轴或五轴加工中心采用数控铣技术加工光弹性试验模型。少数尺寸精度要求很高的光弹性试验模型，最后机械加工工序可根据部件的形状选用拉床或磨床，个别部位尺寸有误差时可以使用细砂纸手工打磨。本公开的一种示例性实施例中，所述局部部分之外的部分可以采用等效体进行代替，也可以通过其他方式进 行替代。
又例如，所述步骤S1也可以包括：
S11.获取待进行应力分析的构件的阴模。举例而言，先用待进行应力分析的构件的原型或按照比例1：1(或其他比例)加工一个木模作为阳模，用硅橡胶浇注工艺等方式浇注一个硅橡胶阴模，然后用手术刀按照“之”字线划开硅橡胶阴模，取出阳模，接着用特定密封方法(例如专利号为ZL201310241834.7的专利申请所提供的密封方法)对硅橡胶阴模进行密封。
S12.基于光弹性试验模型的真空浇注工艺方法对所述阴模进行真空浇注得到所述局部部分的光弹性试验模型。举例而言，根据需要浇注的光弹性试验模型的重量按照100：30～35的比例分别称好环氧树脂和顺丁烯二酸酐，然后把环氧树脂倒入真空浇注成型机(例如专利号为ZL200920311682.2的专利申请所提供的真空浇注成型机)的第一可控料斗，把顺丁烯二酸酐倒入第二可控料斗，在真空浇注成型机的成型室放入密封好的硅橡胶阴模，用塑料导管连接真空浇注成型机的导流装置与硅橡胶阴模的进料口，最后按照光弹性试验模型的真空浇注工艺方法(例如专利号为ZL201210146044.6的专利申请所提供的真空浇注工艺方法)浇注光弹性试验模型。光弹性试验模型固化后，用手术刀划开硅橡胶阴模，取出光弹性试验模型，切割掉进料口和出料口的多余部分，并用细砂纸手工打磨模型不光滑的部位。
步骤S2.依据测试内容，选取对应的测试模块构成光弹性试验模型的加载装置，并对所述光弹性试验模型进行冻结加载。
本示例实施方式中，光弹性模型的冻结加载可以实现“模块化”，即把加载装置分解成实现“拉、压、弯、扭、离心”的不同测试模块，根据试验的内容选用不同的测试模块进行组合来构成光弹性模型的加载装置，从而实现三维光弹性法需要的各种加载。
例如，本示例实施方式中，所述步骤S2可以包括：
S21.提供施加拉力载荷的测试模块、施加压力载荷的测试模块、施加弯曲载荷的测试模块、施加扭转载荷的测试模块、施加离心载荷的测试模块中的一种或多种。举例而言，待进行应力分析的复杂构件具体形状、 尺寸及其受载情况复杂多样，因此试验时光弹性模型具体形状、尺寸及其受载情况随之各不相同。虽然试验的受载复杂，但一般可以用拉、压、弯、扭、离心等效替代，根据等效替代原理，用不同拉、压、弯、扭、离心等载荷的组合来模拟试验件的复杂受载情况。只要预先提供一批通用性强，可反复使用，能为光弹性试验模型施加拉力载荷的测试模块、施加压力载荷的测试模块、施加弯曲载荷的测试模块、施加扭转载荷的测试模块、施加离心载荷的测试模块，由这些测试模块就能实现光弹性模型的各种加载。此外，施加离心载荷时，为提高试验精度，模型冻结时可以实行辅助模型加载，减少初始应力和应力条纹烯疏对试验精度的影响。模型加载装置(例如专利号为ZL201110365872.4的专利申请所提供的模型加载装置)和模型混合加载装置(例如申请号为201410197906.7的专利申请所提供的模型混合加载装置)提供的测试模块，能基本满足三维光弹性模型冻结加载的需要，只有个别试验需要补充加工少量的测试模块和转接段。此外，还可以提供温控测试模块等其他模块；模型混合加载装置的温控测试模块施加光弹性试验需要的温度场，对所有光弹性试验模型的应力进行“冻结”。
S22.依据测试内容，选取对应的测试模块构成光弹性试验模型的加载装置，并对所述光弹性试验模型进行冻结加载。
步骤S3.对所述局部部分进行数字化分析，以及对所述局部部分的光弹性试验模型的切片平面进行应力分析，并对两种分析结果进行比较。本示例实施方式中，所述步骤S3可以包括：
S31.对所述局部部分进行数字化分析。例如，选取所述待进行应力分析的构件中上述最具代表性或设计人员最关心的局部部分，并对该局部部分进行有限元或者其他类型的数字化分析，得到数字化分析结果。
S32.上述步骤S2中光弹性试验模型冻结加载结束后，从所述有限元分析的应力值最大的方向切片，切片平面为最大应力面；
S33.比较模拟拉、压、弯、扭等载荷时，最大应力面各点的应力(光学次主应力差)分析结果的分布趋势与数字化分析结果的分布趋势相同，以及，最大应力值误差不超过15％，则试验结束，应力分析结果有效，由此验证了数字化分析结果正确。模拟离心载荷时，如果模型应力条纹比较 烯疏，则可以采用模型应力条纹级数值的处理方法(例如申请号为201410211514.1的专利申请所提供的方法)进行处理，处理后的应力分析结果的分布趋势与数字化分析结果的分布趋势相同，以及，最大应力值误差不超过20％。光弹性测试的分析处理结果不满足上述条件时，必须仔细查找原因，可能是数字化分析结果不对，也可能是光弹性应力分析结果误差过大。重新试验，如确保各个环节准确无误并且应力分析结果有较好的重复性时，就说明数字化计算方法需要改进，由此验证了数字化分析结果不正确。
进一步的，本示例实施方式中还以燃气涡轮工作叶片离心载荷光弹性测试为例，对上述三维光弹性测试方法进行更详细的说明。所述三维光弹性测试方法可以包括：
步骤S1.制备待进行应力分析的构件的局部部分的光弹性试验模型。
燃气涡轮工作叶片原型如图2中所示，选取的最有代表性和设计人员最关心的局部部分的光弹性试验模型如图3中所示，可能用到的辅助模型如图4A及4B中所示。光弹性试验模型制备过程如下。
根据需要浇注的光弹性试验模型毛坯的重量，按照100：30～35的比例分别称好环氧树脂和顺丁烯二酸酐。然后，把环氧树脂倒入真空浇注成型机的第一可控料斗，把顺丁烯二酸酐倒入第二可控料斗。在真空浇注成型机的成型室放入光弹性试验模型毛坯模具，按照光弹性试验模型的真空浇注工艺方法浇注光弹性试验模型毛坯。光弹性试验模型毛坯固化后就可以机械加工试验所需的模型。光弹性试验模型从原型整体中选取有代表性局部按照1：1的比例加工，其它部分可以用等效体替代。优选四轴或五轴加工中心采用数控铣技术加工光弹性试验模型，少数尺寸精度要求很高的模型，最后机械加工工序可根据部件的形状选用拉床或磨床，个别部位尺寸有误差时可以使用细砂纸手工打磨。辅助模型采用光弹性试验模型同批毛坯和同样加工方法进行制备。
步骤S2.依据测试内容，选取对应的测试模块构成光弹性试验模型的加载装置，并对所述光弹性试验模型进行冻结加载。
为验证燃气涡轮工作叶片旋转时榫头/榫槽的应力分布分析结果是否正确，需要模拟它的受力状态。如图5中所示，可以选用模型混合加载装 置的离心载荷模块10、辅助加载模块20和温控模块30来实现燃气涡轮工作叶片榫头/榫槽的冻结加载。
把图3所示的燃气涡轮工作叶片光弹性试验模型安装在模型混合加载装置离心载荷模块的竖直轴上12，并用紧固件11固定榫头/榫槽。把图3所示的榫头/榫槽辅助光弹性试验模型用辅助加载模块分5级进行拉伸加载，每级载荷为有限元分析时模型应力最大点对应的离心力。燃气涡轮工作叶片光弹性试验的冻结加载如图5中所示。
把试验需要的转速和温控程序在控制室编程，程序经过调试无误后，按照程序设定启动模型混合加载装置，实现模型应力的“冻结”。试验的旋转转速可以为1000r/min，当温控模块的温度降温至80℃后模型混合加载装置可以自动停止，此时光弹性试验模型内记忆了旋转状态下的离心变形(应力)信息，辅助模型内记忆了拉伸状态下的拉伸变形(应力)信息。
步骤S3.光弹性试验模型冻结加载结束后，选取设计人员最关心的部分进行有限元分析，从分析结果的应力值最大的方向切片，切片平面为最大应力面。燃气涡轮工作叶片光弹性试验截取榫头的切片及测点(1至11)如图6中所示，模拟离心载荷，应力条纹比较烯疏，可以采用模型应力条纹级数值的处理方法进行处理，处理后的应力分析结果与有限元分析结果绘制分布趋势图。对各点的结果进行比较，并把它们各自的值及误差列入如下表1中。
表1应力分析结果与有限元分析结果对比表