Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS82_t20z1_z4_PDF_artyku³y\mts82_t20z1_2.pdf M E C H AN I K A TEORETYCZNA I  STOSOWANA 1/2, 20  (1982) WYZNACZANIE  PŁASKIEG O POLA  N APRĘ Ż EN IA  Z  OBRAZU IZOD YN  UZYSKIWANYCH   METODĄ  Ś WIATŁA  R OZ P R OSZ ON E G O WOJCIECH   K A R M O W S K I ,  STANISŁAW  M A Z U R K I E W I C Z  (KRAKÓW) Instytut  Mechaniki  i Podstaw Konstrukcji  Maszyn Politechnika  Krakowska Instytut  Mechaniki  i Podstaw Konstrukcji  Maszyn Politechnika  Krakowska 1. Metody wyznaczania  pola naprę ż enia w przypadku  pł askiego stanu naprę ż enia Rozwią zanie  pł askiego  zagadnienia  polega  na  okreś leniu  trzech  skł adowych  tensora naprę ż enia  tj.  o xxs   cr yy , a xy .  Skł adowe  te jak  wiadomo  speł niają   równania  równowagi oraz równanie nierozdzielnoś ci dx   +   dy  ~ U >  :  ;  •   ,, , _. ^  +  ^  =   o,  •   ( u ) dx  dy  ' * id2  d2  \ \   dx2  +   dy2  j (o xx +cr yy )  =   0. Równania  (1.1) ł ą cznie z  warunkami  brzegowymi  pozwalają   n a  rozwią zanie  pł askiego zagadnienia,  Eliminacja  dwóch  spoś ród  trzech  niewiadomych  prowadzi1  do  uzyskania jednego  równania  biharmonicznego.  Rozwią zaniem jest  na  ogół  funkcją   nieelementarną i  może być  efektywnie  przedstawiona jedynie  w  postaci  dyskretnej.  D o  rozwią zania  sto- suje  się   metody  numeryczne  np. metodę  róż nic  skoń czonych.  Procedura ta je st jednakż e, bardzo  pracochł onna. Zasadniczą   wadą   dotychczas  stosowanych  metod, jest  okreś lanie wartoś ci  funkcji  wewną trz  obszaru  na  podstawie  jej  wartoś ci  i  pochodnych  na  brzegu. Powoduje  to znaczne odstę pstwa  od faktycznego  pola fizycznego  wywoł ane- nie  tylko bł ę - dami metody ale i bł ę dami doś wiadczalnymi wyznaczania wł asnoś ci pola na.brzegu  obszaru. Bł ą d pomiarowy jest propagowany  przez algorytm  do wnę trza  obszaru na znaczne odległ oś- ci  co  powoduje  jego  zwielokrotnienie.  Wad  tych  moż na  unikną ć przez  prowadzenie  eks- perymentu,  w  którym  pomiary  są   wykonywane  również  wewną trz  obszaru,  skracają c drogę   od  dowolnego  punktu  wewną trz  obszaru  do  najbliż szego  punktu  pomiarowego. Techniki  elaś tooptycż ne  mię dzy  innymi  pozwalają   na  uzyskanie  jednego  dodatkowego równania do ukł adu (1.1). Poprzez eliminację   trzeciego  z równań (1.1) uzyskuje  się  zmniej- 88  W.  KARM OWSKI,  S.  M AZ U RKIEWIC Z szenie  stopnia  ukł adu  o  2,  powodują c  zmniejszenie  bł ę dów numerycznych  i  poprawiają c dokł adność  rozwią zania. 2. Klasyczne  techniki elastooptyczne W  elastooptyce  stosuje  się   powszechnie  metody  oparte  o  wykorzystanie  izochrom i  izoklin.  Obydwie  metody  pozwalają   na  uzyskanie  jednej  funkcji  naprę ż eń w badanym obszarze,  dotyczą cej  ukł adu gł ównego  naprę ż eń. D efiniują c  przez  „ p " poł owę  sumy na- prę ż eń  gł ównych, przez „ q " poł owę  ich  róż nicy  a przez „y"  podwojony  ką t  transformacji tensora  naprę ż eń  z ukł adu przyję tego  w  eksperymencie  do  ukł adu gł ównego, moż na za- pisać  tensor naprę ż enia w postaci o xx   =   p + gc o sy, (2.1) M etoda  izochrom pozwala  na pomiar  „q"  a  metoda izoklin  na  „yi". Po  wyeliminowaniu „ p ",  za pomocą   równań równowagi,  uzyskuje  się   równanie postaci W  przypadku  techniki  izochrom niewiadomą  w tym  równaniu jest „y".  Jest to równanie silnie  nieliniowe  i  rozwią zanie  jego jest  trudne i  pracochł onne.  Znajomość  pola  izoklin prowadzi  wprawdzie  do  równania  liniowego  na  „q",  lecz  pomiar wartoś ci  ką ta  przy po- mocy izoklin jest  obarczony  duż ym bł ę dem (są   one zwykle bardzo rozmyte). Z  pierwszego lub  drugiego  równania  równowagi  wyznacza  się  „p"  po wyznaczeniu  „g"  i „f".  Obydwie techniki są   wobec tego  mał o przydatne do dokł adnego wyznaczania  pól naprę ż eń,  metoda izochrom  z  powodu  generowania  równania  nieliniowego  a  metoda  izoklin  z  powodów bł ę dów  eksperymentalnych.  N owe  moż liwoś ci  eksperymentalnych  badań  stworzone  zo- stał y  dzię ki  wykorzystaniu  zjawiska  modulacji  intensywnoś ci  ś wiatła  rozproszonego poprzez  skł adowe  stanu  naprę ż enia  wzdł uż  drogi  wią zki  ś wiatła  padają cego  na  model. Począ wszy  od  1939 roku  [6] nastę puje  szybki rozwój  tej metody w róż nych zastosowaniach do  analizy  stanu  naprę ż enia.  Jednakże  bardziej  powszechne jej  stosowanie  był o  ograni- czone  mię dzy  innymi  zbyt  uproszczonym  modelem  matematycznym,  opisują cym  inten- sywność ś wiatła rozproszonego jak  również bł ę dami zniekształ ceń geometrycznych  obrazu wynikają cymi  ż  zastosowanych  technik  obserwacji  i  rejestracji. Z aproponowana  w  pracy  [3] nowa  koncepcja  tzw.  zintegrowanego  polaryskopu  oraz przedstawiony  model  matematyczny  zjawiska  pozwala  na  uniknię cie  szeregu  bł ę dów po- miarowych  i  stwarza  nowe  moż liwoś ci  szerszego  stosowania  tej  metody  w  badaniach elast ooptycznych. 3. Elementy teorii izodyn :  Termin izodyny  wprowadzony  został  po  raz pierwszy  w  pracy  [4], dla  okreś lenia no- wego  typu  charakterystyk  w  pł askim  stanie  naprę ż enia.  Przyjmijmy  dowolnie  wybrany WYZN ACZAN IE  PŁASKIEGO  POLA 89 kierunek  w obszarze, w którym panuje  pł aski stan  naprę ż enia, nazywany  dalej  kierunkiem charakterystycznym  „y".  N iech  brzeg  modelu  opisuje  funkcja  y  — f o (x)  rys.  1.  Izodyna «- tego  rzę du  y  =  f„{x)  jest  miejscem  geometrycznym  punktów  w  modelu,  dla  których ja xx dy  = const. (3.1) kierunek  propagacji ś wiatła Rys.  1 Doś wiadczalnie  izodyny  moż na  uzyskać  stosują c  metodę   ś wiatła  rozproszonego  wy- korzystują cą   pryzmat integrują cy  opisany w  [3]. Przykł ady zastosowania  tej  metody poda- ne  są   m.in.  w  [1] [2]  [5].  W pł askim stanie  naprę ż enia, gdy  a zz   — 0, naprę ż enie cr xx  wyzna- czyć  moż na tą   metodą   wprost  z zależ noś ci: o xx   = Ay (3. 2) gdzie:  Am — liczba  izodyn  przecinają cych  odcinek  Ay  leż ą cy  wzdł uż kierunku  ś wietlnego ś wiatła spolaryzowanego  padają cego  na model, zaś  S„ —  stał a  elastooptyczna  wyznaczo- na  doś wiadczalnie.  Łatwo  zauważ yć,  iż  dla  gruboś ci  modelu  „ b "  mamy: /   ba xx dy  =   AP X ,  (3.3) h gdzie AP X  jest tą  czę ś cią  sił y zewnę trznej P x ,  która przenoszona jest przez odcinek przekroju modelu wzdł uż y  od brzegu  modelu do izodyny/ „ .  N a rys.  2b  i rys.  3b pokazano rodziny izodyn y  — f„(x) a na rys. 2a i 3a schematy obcią ż eń dla obydwu modeli przy  prześ wietlaniu ich  promieniem ś wietlnym  wzdł uż kierunku  y. 4.  Metoda  izodyn Jak  opisano  w  punkcie  3  w  technice  izodyn  moż na  wyznaczyć jedną   skł adową   sy- metryczną  pola naprę ż enia wprost  z przebiegu  izodyn. D zię ki temu moż liwe jest  uzyskanie pola  naprę ż enia  bez  rozwią zywania  równań  róż niczkowych  czą stkowych  a jedynie  przez cał kowanie  równań  równowagi.  Róż niczkowanie  równania  izodyny  (3.1)  po  „x"  daje /« /„•   < rxx(.x,fu)- fo- < rxx(x,fo)+   [  ?~dy  =  0.  (4.1) %f  C/A 90 W.  KARMOWSKI,  S.  M AZ U RKIEWIC Z a) '/ / / '  / / S/ S i- h/2 • i 1 Hlłli lir 1 Rys.  2 Rys.  3 WYZN ACZAN IE  PŁASKIEGO  POLA  91 U wzglę dnienie  pierwszego  równ an ia  równowagi  (2.1)  prowadzi  do  zależ n oś ci  n a  a xy w dowolnym  pun kcie  izodyny  rzę du  „ n " , KeHHe H30flHH   nojiy«eH H oe  nyTeM   OKCnepHMeiira w  ypaBH em ie  BH yipeH H ero  paBHOBeciwr  BO3M O> KH WM n on yqeH H e  T6H 3opa  H anpjD Kemrii  ( B IU IOCKOM   COCTOH H H H )  B  npoH 3B0JiŁH Oii  Tcuwce  H 3o6pa- BbitH CJieH un  aBT0MaTH3HpoBaHbi.  ITpHMeHeHa  MepHOBaH   KoppeKUHH   3KcnepiirneH TajibH wx x.  YKa3aH bi  n o jit 3bi  OT  npHiweHeHHH   3Toro  MeTOfla  n o  cpaBH eH ino  c  apyrwviH H   SKcnepHMeHTajiBHbiMH   AieTo^aMH   npHMeHHeMbiMH   B  dpoToyn pyrociH . 96  W.  KARMOWSKI,  S.  M AZU RKIEWICZ S u m m a r y D E T E R M I N AT I O N   O F   PLAN E  STATE  OF   STRESS  F ROM   TH E  IM AG E  OF   ISOD YN ES OBTAIN ED   BY  A  M ETH OD  OF   SCATTERED   LIG H T A  new  m ethod  of  interpreting  the  image  of  isodynes  has  bsen  shown.  U sing  the  image  of  isodynes, • obtained  experimently,  an d  the  equation  of  internal  equilibrium  it  is  possible  to  gjt  the  tensor  of stress  (in  plane  state)  in  any  point  of  the  image.  The calculations  can  be  automizsd.  D uring  the  course of  calculation  th e  experimental  data  are  equalized.  Advantages,  of  the  method  as  compared  with  other well  known  experimental  and  analytical  — experimental  methods  used  in  photoelasticity,  have  been pointed  ou t . Praca  został a  zł oż ona  w  Redakcji  dnia  7  maja  1981  roku.