什么是实验应力分析

用实验分析方法确定物体（例如工程构件）在受力情况下的应力分布状态的一种应力分析方法。在机械工程中，它主要通过模型或实物的应力测定和应力分析，为确定合理的机械结构提供科学依据。

对于简单的机械零件和构件，可用工程力学提供的计算方法进行应力分析。对于结构型式和支承条件都较复杂、承受载荷又较高的机械零件和构件，在应用有限元法或其他数值方法计算应力后，常用实验的方法来验证计算时所作的假设和假定的有效性，以及分析校核计算所得的结果。这种方法还可以用来分析机械结构的失效原因，找出薄弱环节，寻求改进途径，挖掘现有机械的潜力，提高其承载能力。

简史

1678年，英国R.胡克建立了弹性体的应变在一定范围内与应力成正比的胡克定律。1807年，英国T.杨提出了弹性模量的概念，于是人们想到测取弹性体的应变，以算出它的应力。1852年，英国J.C.麦克斯韦提出光弹性的应力-光学定律。1856年英国 W.汤姆森发现金属丝的应变引起它的电阻发生变化，其电阻率变化与应变之间有一定的函数关系。这些发现是现代光弹性和电阻应变计测量技术的基础。1913年前后，英国E.G.科克尔和法国A.C.M.梅斯纳热等用光弹性模型实验，先后研究了车轮、齿轮、滚动轴承和桥梁等应力，开创了现代实验应力分析的基础。1938年，美国M.M.弗罗赫特和德国G.奥佩尔等确立了光弹性应力冻结法，将光弹性模型实验从平面（二维的）应力分析发展到立体（三维的）应力分析。30年代后期，美国E.西蒙斯和A.鲁奇等研制出粘贴式电阻应变计，使实验从测量模型的应力发展到测量实物的应力，从测量静态应力发展到测量动态应力。1943年美国成立了实验应力分析学会(SESA)。1953年，法国F.赞德曼完善了光弹性贴片法，使光弹性实验也扩展到实物测量。60年代后期又相继发展了全息干涉法和散斑干涉法，实验应力分析的应用范围不断扩大，测量和分析精度不断提高。

方法

在机械工程中，常用的实验应力分析方法有电阻应变计测量、光弹性模型实验、光弹性贴片、脆性涂层、云纹法、全息干涉、散斑干涉和声发射等方法。

电阻应变计测量

以电阻应变片作为传感元件，粘贴在零件被测点的表面（图1）。当零件在载荷作用下产生应变时，电阻应变计发生相应的电阻变化，用应变仪测出这个变化，可据以计算被测点的应变和应力。它是一种常用的逐点测量表面应力的方法。这种方法使用方便，测量精度高(最高可达2～3％)，易于自动显示和记录。它可用于模型实验，也可在机器运行情况下对零件进行动态应力测量；不仅可用于通常工况，还可用于特殊工况如高温(至1000℃)、深冷(-270℃)、变温度、高压力（1000兆帕）、高真空、高频率（50万赫以上）、高重力加速度（60万g），以及腐蚀、强磁场、核辐射等特殊环境；不仅可用于近距离测量，还可用于远距离遥测。电阻应变计的栅长最短可达0.18毫米。用电阻应变计测得的应变是栅长内的平均值。

光弹性模型实验

环氧树脂之类的透明塑料，在应变下具有暂时双折射效应和偏振光，利用这一干涉原理可测量零件的应力。先将透明塑料制成与零件形状相似的模型，在偏振光场中加载，即可看到模型由于受力而出现的干涉条纹（图2）。受力越大，出现的干涉条纹越多，越密集。通过对干涉条纹的测量和计算，可求出零件的全部应变和应力状态。它是一种全场的测量方法，可测量表面应力，也可测量内部应力。

齿轮、吊环等零件的应力状态不沿厚度方向变化，可制成平面模型进行应力分析。但许多零件如活塞、透平叶片等的应力状态，是沿长、宽、厚三个方向变化的，不能简化成平面模型，必须采用立体模型进行三维应力分析，常用的方法是应力冻结法。它是将立体光弹性模型加热到“冻结”温度(约110～120℃)时施加载荷，缓冷至室温后方予卸载。模型在载荷作用下产生的双折射效应就“冻结”和保存下来。再从“冻结”模型中切取不同方向和不同部位的切片，进行光弹性应力分析。

光弹性贴片法

将光弹性塑料片（厚约1～3毫米）粘贴在零件被测部位的表面，通过偏振光的照射和反射，测定贴片随零件表面变形而产生的干涉条纹，可得出零件表面的应力分布(图3)。它主要用于测量实物，也可用于模型实验，还可用高速摄影方法进行动态应力测量，以及测量弹塑性范围的应变。

脆性涂层法

将一种特殊的脆性涂料涂在被测零件或模型的表面，分级施加载荷。当表面上某点的应力达到某一临界值时，该点的涂层就出现一条与主应力方向相垂直的裂纹，连接每级载荷的所有裂纹的端点，就得到一条等应力迹线。通过逐级加载，可得出涂层表面的主应力迹线（图4），显示主应力的方向和分布状况。但脆性涂层常受试验环境的温度和湿度的影响，测量精度不高，一般仅用以定性地（或粗略地定量）测出最大应力区和主应力的方向。

云纹法

用感光或腐蚀的方法在两块透明版上刻画出密集的平行栅线。将其中的一块栅（称为试件栅）固定（或刻制）在试件的测试部位，而将另一块栅（称为参考栅）与试件栅紧贴，使参考栅与试件栅的栅线相重叠。当试件发生变形时试件栅便随之变形，而参考栅不变，从而产生出云纹条状，称为云纹。根据云纹的变化可求得试件的位移场或应变场。云纹法主要用于塑性变形测量、离面位移测量和高温应变测量等。这种方法的灵敏度和准确度还不很高，不适合于测量弹性范围的微小应变。

全息干涉法

用全息照相将零件变形前后的光波波前记录在一张全息底版上。这两个波前的相互干涉会产生干涉条纹，根据干涉条纹图可分析零件的变形。全息干涉法可用于三维位移场的定量分析，观测机床实物或模型的变形，分析透平叶片的振型和振幅，以及检测轮胎等的内部缺陷。全息干涉法与光弹性实验结合，称为全息光弹性法。它不仅能测得反映主应力差的等差线，还能测得反映主应力和的等和线，由此可求得试件上各点的主应力。这种方法在平面问题中已得到成功的应用。

散斑干涉法

将激光束照射在零件的漫反射表面，便在零件表面外的空间形成随机分布的亮斑和暗斑，称为散斑。这些散斑随零件表面的变形而变化，对比零件变形前后的散斑图的变化，可以检测出零件表面各点的位移量。用散斑干涉法可以测量孔周的应变集中、蜂窝夹层板的变形、断裂力学实验中的位移场等。

声发射

零件在受力过程中产生变形或微裂时，常常发出微弱的声信号。接受和分析这些声信号，可以测定零件的开裂、监测疲劳裂纹的扩展等。

参考书目

张如一、陆耀桢主编：《实验应力分析》，机械工业出版社，北京，1981。

y，y，Experimental Stress Analysis，McGraw-Hill Book Co.，New York，1978.