[拼音]:yunwenfa

【外语】:云纹法

又称串级干涉法，是一种实验应力分析方法。网格牢固地粘贴在试样(模型或部件)的表面。当试件受力变形时，网格也会发生变形。当未变形的栅格板叠加在栅格板上时，栅格板与栅格板上的栅格线会由于几何干涉而产生条纹(图1)，即云纹(又称栅格条纹)。云纹法就是对这种云纹进行测量和分析，从而确定试样的位移场或应变场。

概述

对于常用的工程材料，包括低弹性模量材料、粘弹性材料、各向异性材料、复合材料等，均可采用云纹法进行测试。它可以直接测试由原型材料制成的模型，因此在进行塑性、动载和高温条件下的模型实验时，确定模型与原型之间的精确模拟条件并不困难(参见模型理论)。云纹法可以通过光敏或腐蚀的方式在试样表面制作各种网格线，而不会引起试样表面强度的增强或减弱。该方法利用光传递网格线变形信息，具有良好的抗干扰性和稳定性，也适用于非接触式测量。因此，它可用于测量室温下的静载荷、瞬时载荷如冲击波传播、长期载荷如蠕变和松弛，也可用于测量焊接过程中的稳态或非稳态热应力和动态应变。云纹试验温度的上限是为了保持试样表面不被氧化或熔化，即保持网格线的清晰度。云纹法根据网格线重叠时的纯几何关系确定应变，既可以测试弹性范围内的小应变，也可以测试破坏时的大应变。它还可以用于测量裂纹附近的弹塑性应变场。采用云纹法测量三维应力时，应将透明模型分层处理，在截面表面复制网格线，然后粘合成一个整体，然后测量模型内部的位移或应变分布。测量板、壳、膜的变形以及物体表面的轮廓线非常简单有效(图2)。该方法的缺点是灵敏度和精度不够，无法测量弹性范围内的微小应变。

在19世纪70年代，由于衍射光栅的发展，人们知道了云纹干涉。然而，由于当时无法制造大面积的光栅板，因此，云纹法仅用于测试透镜的质量和测量光栅板的相对位移。20世纪50年代初，栅格板制造技术取得了长足的进步，云纹法开始作为一种实验应力分析方法得到发展，并在理论上、技术上和应用上都取得了迅速的进步，成为常用的方法。

由平行等距黑线组成的网格是在云纹法中使用的元素。黑线称为网格线，相邻两条网格线之间的间距称为节距，节距的倒数为网格线密度，与网格线垂直的方向称为主方向。两个间距相等的栅格称为等间距栅格；其间距不同，称为异质结网格。

如果将两个由干板制成的节点间网格重叠，使网格线相互平行，则会出现与网格线平行的明暗云纹(图3a)。放大图3a中的局部网格线，以显示云纹形成的机理(图3b)。如果两个等间距网格重叠在一起，网格线通过相对旋转错开一个小角度(简称网格线错位)，网格线的交叉会形成另一种云纹(图4a)。这是两种基本的云纹图案。两个不同网格交错角度重叠形成的云纹(图5)是复合云纹。

在图3b中，两组干扰网格线分别用从0到m和从0到n的网格线序号进行标记，顺序为自底向上同一方向生长。图4b也用同样的方法标注。从图中可以看出，每条亮条纹中心线经过的网格线重叠或交点处的网格线序数之差(m-n)为常数，称为条纹阶数

N=m - N (1)

分类

根据被测件表面的位移是试样平面内的位移分量还是平面外的位移分量，将云纹法分为面内云纹法和面外云纹法。

面内云纹法采用面内云纹法测量试样变形，需要两个网格：一是网格线印在试样表面，随试样变形；另一种是参考网格(或分析网格)，不随试样变形。当这两个网格相互接触时，就会因干涉而形成云纹。对于非接触测试，通过一个透镜。将一个栅格成像到另一个栅格的平面上，形成干涉条纹。

如图6所示，参考网格的节距为p，等节距的试件网格在试件加载前的位置与参考网格重合。试件加载后，有无二维变形，即各点网格线角度和节距变化不均匀。从图中可以看出，在任意亮条纹经过的每条网格线的交点处，网格线序数的差值是恒定的，与式(1)一致。还可以看出，在N=0,1,2…沿参考网格主方向(垂直于网格线方向)，条纹上试样网格各点的位移分别为0、1p、2p。取参考网格主方向的x轴，用u表示x方向的位移，则

u=Np, N=0,1,2.（2）

当两个平行网格之间的网格线夹角逐渐增大时，干涉条纹会变得更密集。当网格线之间的夹角大于30时，条纹由于密度大而成为灰色背景，难以用肉眼分辨。利用这一现象，由两组相互正交的平行网格线组成的正交网格可以作为样本网格，参考网格可以作为平行网格。当它转到适当的位置时，它只能与试样网格的某一组网格线形成可识别的干涉条纹。当参考网格旋转90时，可与试件网格的另一组网格线形成清晰的干涉条纹。假设试件网格为正交网格，其中一组网格线在变形前平行于x轴，变形后沿y轴方向干扰主方向。N '表示条纹级数，y方向位移可得：

Nu=Np, N=0 .（3)

上面得到的两个云纹图分别表示参考网格主方向的位移场，即u位移场和位移场。每条条纹代表一条沿参考网格主方向的等位移线。相邻的条纹，它们的位移相差一个音高。

通过计算式(2)和式(3)的偏导数，可以得到：

(4)

小变形下的应变分量为：

（5）

由(4)、(5):

(6)

大应变时的应变公式还应包括式(4)中偏导数的高阶项。

根据上述应变公式，还可以用画图法计算试件各点的应变大小。图7a中的云纹图案表示位移场u。图中A点应变状态的计算步骤如下：在A点处画一条平行于x轴和y轴的直线，并根据其与每条条纹的相交位置和相应条纹的阶数分别绘制位移曲线(图7b和图7c)。如果我们测量这两条曲线上A点对应的切倾角和，则切倾角分别等于和。按照同样的步骤，可以从表示位移场v的云纹图中得到和。将这些偏导数代入式(6)，可以计算出A点的应变状态。由于增加或减少条纹序列将决定位移曲线的正斜率或负斜率，也将决定正应变或负应变(表示伸长或缩短)，因此必须在上述步骤中添加确定条纹序列的方法，以确定应变的符号。

上述是采用等间距参考网格和试样网格的云纹法。该方法仅适用于测量网格线密度为每毫米几十条线时的塑性变形或较大的弹性变形。

如果要测量小的应变，并且条纹不是很薄，以至于干扰位移的精确推导(相对于x或y)，则需要高密度的网格线。或者利用准直相干光通过网格线的衍射效应，将低密度网格线倍增为高密度网格线。

非表面云纹法不需要在试样表面重现网格线，从而大大简化了实验过程。主要有两种方法：

(1)阴影云纹法是将平行光线斜射向参考网格，使参考网格的网格线与其网格线在试件表面的阴影(相当于试件网格)相互干涉，得到轮廓云纹图(图8)。

该方法可用于测量物体表面的轮廓和板壳变形后的挠度分布。显然，它比用机械仪器逐点测量的方法简单得多。在测量均匀压缩膜的轮廓时(图9)，可根据膜类比原理(见类比法)确定轴在扭转作用下的剪应力分布。

反射云纹法装置如图10所示。右侧弯曲圆柱体上有平行的网格线，可以通过左侧板右侧的抛光表面反射物体光线。在板材变形前后，取抛光表面反射的两条网格线的图像(负片)作为参考网格和试样网格。把它们放在一起，就形成了一个云纹，条纹显示了弯曲板的等斜线。计算不同方向上的导数后，可以得到曲率和扭转率，并可以计算出板的弯矩和扭矩分布。

发展趋势

云纹法的主要发展趋势是利用不同的光学手段和信息处理技术来提高应变测量的灵敏度和精度。位移数据的采集和处理以及应变值的计算过程可以实现自动化和计算机化。在测量中，往往将云纹法与其他实验应力分析方法综合使用，以发挥每种方法的优势，如云纹法与光弹性贴片法、散斑法相结合。此外，将云纹法与全息法相结合，提出了一种新的实验应力分析方法——全息云纹法。

P.S.Theocaris，应变分析中的云纹条纹，牛津，Pergamon出版社，1969.A。小林修等主编，试验应力分析手册，中国机械工程学会试验应力分析出版社。韦斯特波特，1978年。