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
• 机 构: 天津大学
• 出 处: 天津大学
• 发表日期: 2009年期
• 关键词: 八步相移法 数字光弹 等差线 等倾线 汽轮机叶根 应力自动分离 光弹性法 图像处理

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，π/2])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。