光弾性：光による応力解析
はじめに
光弾性は、工学および材料科学において、透明材料内の応力分布を測定し可視化するために用いられる貴重な実験手法である。複屈折現象を利用することで、光弾性は様々な荷重条件下で材料がどのように反応するかを分析する非破壊的な手段を提供します。
基本原理
複屈折
複屈折は、屈折率が光の偏光と伝播方向に依存する材料の光学特性です。透明材料に応力が加わると、応力に比例した複屈折を示すため、応力パターンを可視化することができます。
応力誘起複屈折
光弾性では、材料に応力がかかると、内部のひずみが複屈折を誘発します。偏光を材料に通すことで、応力による偏光の変化をフリンジと呼ばれるカラフルなパターンとして観察することができ、これは応力分布に相関します。
測定技術
モデルの準備
正確な光弾性分析は、調査対象の構造のモデルを作成することから始まります。モデルは、均一な光学特性を確保するため、光弾性材料、通常はエポキシ樹脂またはポリカーボネートから作成する必要があります。
光源と偏光子
コヒーレント光源は、偏光子と組み合わせて使用されます。偏光板と呼ばれる最初の偏光子は、応力モデルに入る前に光の偏光を揃えます。モデルを通過した後、複屈折による偏光の変化を検出するために、アナライザーと呼ばれる2番目の偏光子が方向付けされます。
光弾性応力解析
光弾性応力解析では、光弾性実験から得られたフリンジパターンを解釈します。各フリンジは特定の応力レベルに対応しているため、エンジニアは負荷がかかった材料や構造物の完全性を定量化し、評価することができます。
応用例
光弾性は、機械工学、航空宇宙、土木工学、材料科学などの様々な分野で、梁、シャフト、複雑なアセンブリなどのコンポーネントを動作応力下で評価するために広く使用されています。
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側面 |
概要 |
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測定技術 |
偏光を使用して応力誘起複屈折を検出します。 |
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基本原理 |
応力下での屈折率変化に依存 |
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主要現象 |
複屈折とフリンジパターン形成 |
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応力分析 |
材料内の応力分布を定量化 |
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用途 |
構造解析、材料試験、設計検証 |
詳しくは、Stanford Advanced Materials (SAM)をご覧ください。
よくある質問
光弾性は何に使用されるのですか？
光弾性は、材料の応力分布の測定と可視化に使用され、構造解析や設計の最適化に役立ちます。
複屈折と応力との関係は？
材料の複屈折は印加される応力に比例して増加するため、偏光を使用して応力パターンを可視化することができます。
どのような材料が光弾性分析に適していますか？
エポキシ樹脂やポリカーボネートのような透明な材料は、その均一な光学特性から一般的に使用されています。
光弾性は定量的なデータを提供できますか？
はい、適切なキャリブレーションを行えば、光弾性はフリンジ分析によって応力の大きさを定量的に測定することができます。
光弾性応力分析にはどのような装置が必要ですか？
光弾性応力解析には、偏光光源、光弾性モデル、偏光子、フリンジパターンを撮影するカメラまたはセンサーが不可欠です。
