《光弹性材料和模型》PPT课件.ppt
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1、第三章 光弹性材料和模型,3-1 光弹性材料 光弹性材料是光弹性应力分析中的一个关键问题。只有良好的材料才能充分显示出光弹性效应,才能据此分析各种力学问题。一个多世纪前,光弹性效应被发现,逐渐形成光弹性原理。为什么直到二十世纪中期才得以发展呢?因素之一就是由于当时材料不灵敏,模型难以加工。二十世纪环氧树脂材料出现以后,逐渐形成了以环氧树脂这种高分子聚合物为基础原料的光弹性材料,大大推动了光弹性法的发展。除上述光弹性材料外,还有一种热塑性聚碳酸酯材料,它光学灵敏度高,不仅能充分地反映光塑性效应,还能很好地反映出光弹性效应,所以可用以研究光弹性问题。,理想的光弹性模型材料应满足下列要求:1,未受力
2、前为光学各向同性、均质、色浅、透明度好、受力后具有暂时双折射效应;2,光学灵敏度高,即材料条纹值低,弹性模量量大;3,应力-应变和应力-条纹级数的比例极限高;4,力学蠕变和光学蠕变效应小,指在一定载荷作用下,条纹几乎不随时间而增加,或增加得极小;5,初应力和时间边缘效应小;6,易于机械加工(车、刨、铣、钻、锉、攻丝等)成各种形状的光弹性模型;7,冻结应力的模型材料要具有良好的“冻结”性能;8,价格低廉。迄今为止还没有这样理想的材料,目前仅能获得基本满足光学弹性实验要求的材料。本章中介绍的是目前所用的材料浇制工艺及性能,3-2 环氧树平板材料,其配合比为:环氧树脂:顺顶烯=酸酐=100:35(3
3、-1)为了增加材料的塑性,可以加少量的增塑剂(邻)苯=甲酸=丁脂(简称二丁脂),其配比为:环氧树脂:顺顶烯=酸酐:丁脂=100:35:5(3-2)加入少量二丁脂可以调节材料的塑性,改进材料的脆性,但加入过量二丁脂会使材料弹性模量降低,加载后产生变形过大。另外加入二丁脂后,要适当延长搅拌时间。以免由于材料不均产生云雾及增加材料的时间边缘效应。,制作环氧树脂板材工艺流程:计算及称出材料用量。首先根据拟浇制的板材的体积V,估算出板材的总重量G。环氧树脂原材料的单位体积重r=12.5KN/m3.根据重量配比算出每种原材料的用量:环氧树脂重量G1为G1=100135G 顺丁烯二酸酐重量G2为G2=351
4、35G(3-3)把称好的原材料各放入一个容器内,并分别放进烘箱,加温到70C左右,直到熔化为白色透明的液体。环氧树脂预热温度为60C左右。此时对环氧树脂液体进行搅拌,边搅拌便将熔化的顺丁烯二酸溶液倒入环氧树脂溶液中,搅拌温度70C2C,不要超过90C,以免发生硬化。搅拌时间按长短根据材料用量多少而定,一般为1-2个小时。,二制作模具用两块厚6mm的玻璃板,尺寸根据需要而定,一般是400 x400mm,500 x500mm为宜。表面处理:用去污粉处理,干后用丙酮擦洗去油腻。橡皮管洗净:橡皮管直径应选比板材厚度大一些,利用它的弹性调节平板所需的厚度。橡皮管外表面涂上一层薄薄的硅酯,作为脱模剂。夹具
5、准备:准备两副扁铁或角铁后,将夹具清理干净。合模:将二块玻璃板叠起来,二块玻璃之间用橡皮管把三边围住,空出的一边作为倒入搅拌好的环氧树脂混合液的入口,然后,用两副扁铁把两块玻璃板夹紧固定。厚度用标准厚度铁块控制。,图3-1,涂脱模剂:脱模剂采用聚苯乙烯甲苯溶液,其配合比为(810):100(3-4)将脱模剂倒入模具内,然后再倒出来,将模具倒放置,放入40C50C的烘箱内预热。浇注环氧树脂板材:将已搅拌好的环氧树脂混合液徐徐倒入已预热的模具内,然后,放入烘箱内进行固化。固化曲线按图3-2所示 图3-2 板材固化温度曲线,其固化温度为90C,最高不超过120C。环氧树脂固化后,即可取出拆模,将拆模
6、后的板材平放于玻璃板上,在放进90C的烘箱内恒温12小时之后,按5C/小时的速度降温,至60C后,切断电源,自然降温。在平面模型试验前需按图3-3(P70)的温度曲线进行退火,以消除初应力。图3-3 板材退火温度曲线,光弹性材料浇制,3-3 聚碳酸酯平板材料,聚碳酸酯是60年代发展起来的一种热塑性材料,这种材料的抗拉强度大,抗冲击强度高。耐热耐冷性和抗蠕性好,应力-光学灵敏度高,无毒、色浅,透明度好,是一种理想的光塑性材料,同时选用适当的制作工艺及加工方法后,亦可以成为很好的光弹性材料。先将聚碳酸酯材料与环氧树脂材料的力学性能比较。见表3-1如果需退火处理,对于用注射法成型的,其厚度在7mm以
7、上的材料,退火温度曲线如图3-4所示。图3-4聚碳酸酯退火温度曲线,3-4 三维光弹性模型,浇注三维光弹性环氧树脂模型,其原料配方基本上与平板相同。但是,当立体模型较大时,或当精密制造复杂光弹性模型采用石蜡混合磨具时,必须低温固化,此时,为了缩短固化时间,可以加入1-3%的催化剂二甲基苯胺。其配比为:610#环氧树脂:顺丁烯二酸酐:二甲基苯胺=100:35:1.10.3一、浇注坯模,机械加工成型如果模型的几何形状比较简单,或者即使形状复杂,但能用机械加工成型的,可先浇铸成与试验模型形状相近的坯模块体,然后,进行机械加工成型。其模具可用白铁皮制作,并在各边留有加工余量及收缩余量5mm左右。若模型
8、有内腔,则模型的内芯需用弹性较好的材料制作。坯模的固化温度曲线如图3-5所示二、精密制模工程上当遇到一些复杂结构零件形状时,难以用机械加工完成。此时,可用精密浇制法。可以采用蜡模熔模法或硅橡胶作阴模的方法。,图3-5 块体材料固化温度曲线制模工艺如下:熔模材料-压力铸模-熔模装配-浇注环氧模型固化工艺曲线,详见 图 3-6所示,图3-6 压力壳模型图说明:1.模具要求应变形小、光洁、刚度大、分型面要少,木芯有要锥度约12度。2.熔模配方为石蜡:地蜡:硬脂酸=50:10:40(重量比)3.将按比例配好的蜡料,加温使其溶解成液状。不断搅拌蜡料,待蜡料降温到5055C时,蜡料成糊状,手抓蜡料时不粘手
9、,即可入模具压注,压速越快越好。模具应预热40C,,4.浇注环氧树脂模型将按事先计算好的用量秤好,并经搅拌成为环氧树脂混合液,浇注到蜡模内,其搅拌温度为6570C,浇注温度为5055C,固化温度48C,详见图P75所示例:压力壳模型压力壳的原型是一个带有八个接管的圆管,筒身及接管均为变截面,几何形状较为复杂,如图3-7所示 图3-7 压力壳模型固化温度曲线,另一种精密浇铸法是用硅橡胶制模首先,按一定比例配制硅橡胶混合液,其配比为:硅橡胶106#:硅橡胶107#:正硅酸乙酯:触媒=50:50:3:2(重量比)然后,将该混合液浇注成阴模再用环氧树脂混合液充填在阴模中,经温度曲线控制,使环氧树脂模型
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