关于实验应力分析介绍

[拼音]：shiyan yingli fenxi

[外文]：experimental stress analysis

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状态的学科。在固体力学的各分支（如d性力学、塑性力学、断裂力学、复合材料力学等）中，都常用实验应力分析方法研究应力分布基本规律，为发展新理论提供依据。在工程领域内，它又是提高设计质量和进行失效分析的一种重要手段。有效地应用实验应力分析方法，不仅能提高工程结构的安全度和可靠性，还能减少材料消耗、降低生产成本和节约能源。

早在17世纪，人们将力学原理应用于工程问题时，就曾用简单的实验手段测定材料的力学性能，并阐明工程结构的某些力学特征。19世纪后期，虽然出现了较为灵敏的机械式应变测量装置，但在工程实用上，仍受到很大限制。20世纪30年代，粘贴式电阻应变计的出现，光d性实验技术的进一步完善，以及其他实验技术的发展，使实验应力分析蓬勃发展起来，并得到广泛应用。

实验方法

实验应力分析方法目前已有电学的、光学的、声学的以及其他方法。

有电阻、电容、电感等多种方法，而以电阻应变计测量技术的应用较为普遍，实际效果也较好。电阻应变计不仅可用于模型实验，而且可在机器运转的条件下进行应变及其他参量（如扭矩、压力等）的测量。利用无线电遥测技术，还可进行远距离的应变遥测（见应变遥测技术）。电容应变计可在高达 650℃以上的温度环境中，长期进行应变测量。此外，根据各种特殊的用途，还可制成相应的传感器和测力装置（见电阻应变计式传感器）。其中电感式传感器多用于位移的测量。

这种方法发展较快，方式也较多，逐渐形成一门光测力学。经典的光d性实验技术，已从二维、三维模型实验（见光d性法，光d性应力冻结法）发展成为能用于工业现场测量的光d性贴片法，用来解决扭转和轴对称问题的光d性散光法，研究应力波传播和热应力的动态光d性法和热光d性法，进行d-塑性应力分析的光塑性法，以及研究复合材料力学的正交异性光d性法。除了这些经典方法之外，还有下述一些方法。云纹法：此法已日趋完善，特别是用于大变形测量，效果尤为明显。全息干涉法和散斑干涉法：60年代后期发展起来的新技术，在分析复杂构件的振型和振幅、测量物体的微小变形、对三维位移场的定量分析（见位移场全息干涉分析）以及测定含裂纹构件的应力强度因子等方面，都已取得一定的成效；在全息技术和散斑技术中应用脉冲激光，还可以研究应力波在固体中的传播。全息光d性法：用此法可以同时获得等差线及等和线的数据，便于分离主应力，可以解决平面的应力分析问题。焦散线法：一种测量奇异变形的光学方法，可以测量裂纹尖端的塑性区和应力强度因子，也可以测量角隅区的应力奇异性和两物体间的接触应力等。

（1）声d性法：可用来测量焊接件的残余应力。

（2）声发射技术：可用来确定含裂纹试件的开裂和监测疲劳裂纹的扩展等。

（3）声全息术：可用来显示试件内部缺陷的形状和大小。

脆性涂层法是应用较广泛的一种。一般先用它定性地（或粗略定量地）测出试件应力集中的区域和相应的主应力方向。如须作精确的定量分析，可在已测出的应力集中区域里，沿相应的主应力方向粘贴电阻应变计，作进一步的测量。若用X射线应力测定法，可以无损地直接测定试件表层的应力或残余应力。

如果两种（或两种以上）不同的物理现象，可用形式相同的数学方程来描述，则可采用比拟法，即通过观测其中一种物理现象来研究另一种物理现象。在实验应力分析中这类方法有薄膜比拟、电比拟、电阻网络比拟和沙堆比拟等。

模型和原型实验

应用上述方法进行工程构件的应力分析，往往利用模型或原型进行实验。对于新设计的复杂工程结构，要用模型作实验（见模型理论），校核该设计方案的可靠性，或选择较优的设计方案。在工程完成后，有时还须进行现场原型实验，验证模型实验的结果。此外，还可通过模型或原型实验，找出工程构件失效的原因，以便提出改进的方案。非金属材料制成的模型，在小载荷作用下容易变形，加上制造方便，可在同一个模型上修改原设计方案和重复进行实验，故通常采用这类材料（例如硬聚氯乙烯、有机玻璃、铝粉增强环氧树脂等工程塑料）制造模型。模型或原型实验往往采用多种实验应力分析方法相结合的测试方式。

发展趋势

实验应力分析的发展有如下特点：

（1）实验技术向广度和深度发展。就广度而言，例如，由于电阻应变计测量技术的广泛应用，所以，对于真空、高压、深冷、高温、静态和在数十万赫频率条件下的应变，都可获得有效的测量数据。就深度而言，开展宏观和微观相结合的实验研究，深入探索失效的机理和各种影响材料强度的因素的规律性。

（2）实验装备的自动化。在实验数据的采集、处理、分析和控制等方面，力图实现计算机化，如大型动载实验，已能做到实时的数据处理，大大缩短实验周期，及时提供准确的实验分析数据和图表。即使是多年来难以实现自动化的光d性仪，也已出现多种光d性自动测试装置的方案。

（3）随着电子计算机及有限元法和其他数值分析方法的应用，经典的应力分析正朝着实验和计算相结合、物理模型和数学模型相结合的方向发展。

参考书目

1. 张如一、陆耀桢主编：《实验应力分析》，机械工业出版社，北京，1981。