动态光弹性法

实验应力分析的一种方法，用以研究弹性体动态应力和应力波传播规律。当弹性体受冲击载荷或爆炸载荷作用时，它的内部每一点的应力状态将随时间而迅速变化。根据弹性力学中的应力波传播理论，在平面应力的情况下，胀缩波(纵波)和剪切波(横波)在介质中传播的速度c和c分别为：

，

，

式中E为材料的弹性模量;ν为泊松比;ρ为材料的密度。

此方法所用的模型，由具有应力双折射效应的透明塑料制成。采用高速摄影机记录时，须配备很强的闪光源，并使动载荷源、光源、摄影机和控制电路同步启动，即可拍摄一组反映弹性体内部应力瞬时变化的干涉条纹。(见彩图)

t=0.3毫秒

t=0.9毫秒

t=1.5毫秒

t=2.1毫秒

t=3.0毫秒

t=3.3毫秒

1928年，日本辻二郎首先用电影摄影机拍摄光弹性照片的方法研究动态现象，但因受到拍摄速度的限制，难以拍摄应力波的传播过程。从50年代起，随着高速摄影技术的发展，特别是每秒近百万幅的高速摄影机，以及多次瞬闪的火花式摄影机问世后，动态光弹性的实验和研究有了较大的进展(见图1)。

采用这种方法，可以研究撞击应力和动态应力集中问题、地震波在不同介质中的传播规律、冲击波对地下结构物的作用，以及构件中裂纹的传播过程和止裂规律等。

进行动态光弹性应力分析时，可直接按等差线确定边界应力。由于实验时难以同时获得等倾线，所以内部应力的分离还须采用辅助方法，例如双光束的斜射法。如果用弹性模量较低的材料制成模型进行实验，也可用云纹法作辅助方法。多脉冲红宝石激光器出现后，可以实现全息动态光弹性测量，以获得动态的等和线与等差线(图2)来进行主应力的分离(见全息光弹性法)。由于光弹性材料的光学和力学性能随着材料的应变率而变化，因此，实验时必须测定材料的动态光学性能和力学性能。再根据其动态性能进行应力分析和模拟。

高速摄影的曝光时间，取决于条纹级数的改变速率以及所要求的条纹清晰度。弹性模量高的光弹性材料的应力波，其速度c约为2000米／秒，曝光时间小于1微秒。使用可控同步的带Q开关的脉冲激光器时，曝光时间可缩短到几十毫微秒，并能得到清晰的照片。采用弹性模量低的材料，可以降低对摄影技术的要求，但由于材料的粘弹性，将影响动态模拟的正确性，而只能用于定性研究。具有合适的光学和力学性能的滞弹性材料，可以用来研究非线性应力波和粘塑性应力波的传播。

用光学灵敏材料和光学不灵敏材料制成的组合模型，可以用来研究板、壳结构和三维问题。用光弹性贴片法也可以测定结构物表面的动态应力。将光弹性的光学信号通过光电转换输入电子计算机，可以实现单点或多点的动态应力的自动记录和数据处理。

动态光弹性法的重要意义在于为理论研究和工程应用提供了瞬态应力现象的实验依据。它已用于研究平面载荷所产生的动态问题。

参考书目 J.Kestens，ed.，The Photoelastic Effect and Its Application，Springer-Verlag，New York，1975.