四點(diǎn)彎曲彈性參數(shù)測量方法及測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】四點(diǎn)彎曲彈性參數(shù)測量方法及測量系統(tǒng)，屬于彈性參數(shù)測量領(lǐng)域，為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明利用矩形截面梁的四點(diǎn)彎曲原理使試樣的測試區(qū)域形成理想的單軸拉伸（或壓縮）應(yīng)力狀態(tài)，而且應(yīng)力量數(shù)值與試樣結(jié)構(gòu)尺寸、施加載荷值存在確定的理論關(guān)系，借助應(yīng)變貼片測量手段獲得測點(diǎn)在軸向和橫向兩個(gè)相互正交方向上的應(yīng)變數(shù)值，進(jìn)而可計(jì)算得出試樣的彈性模量和泊松比；四點(diǎn)彎曲彈性參數(shù)測量系統(tǒng)，包括：試驗(yàn)加載裝置、載荷數(shù)據(jù)采集單元、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元；該方法原理簡單、測試精度高、適用范圍廣、易于實(shí)現(xiàn)、研制成本低，可以發(fā)展為小型化、臺(tái)式、手動(dòng)操作設(shè)備，具有較大的推廣潛力。
【專利說明】四點(diǎn)彎曲彈性參數(shù)測量方法及測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于彈性參數(shù)測量領(lǐng)域，具體涉及一種固體材料的彈性參數(shù)(包括彈性模量和泊松比)測量方法和測量系統(tǒng)，該方法不僅可用于金屬材料彈性模量和泊松比的測量，而且在解決玻璃、陶瓷等硬脆性材料彈性模量測量方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。
【背景技術(shù)】
[0002]彈性模量和泊松比是固體材料非常重要的力學(xué)性能參數(shù)，對評估結(jié)構(gòu)的剛度和抗變形能力具有重要作用。目前的固體材料彈性模量測量方法主要包括單軸拉伸試驗(yàn)法、模態(tài)參數(shù)識(shí)別法、超聲波聲速測量法等。其中單軸拉伸試驗(yàn)法是應(yīng)用最為廣泛的測量方法，其基本原理是通過材料試驗(yàn)機(jī)對具有圓形或矩形截面的棒形試樣施加軸向拉伸載荷，使其發(fā)生軸向拉伸變形，并借助位移傳感器測量試樣的軸向變形量，進(jìn)而將軸向拉伸力和變形分別轉(zhuǎn)化為應(yīng)力和應(yīng)變，二者之比即為彈性模量。為了獲得所需的軸向拉伸變形，試樣往往是通過帶有齒牙狀的強(qiáng)力卡頭夾持，這種裝卡方法對于金屬等容易產(chǎn)生塑性變形的試樣而言比較合適。但是對于玻璃、陶瓷等硬度高、脆性大的結(jié)構(gòu)材料而言，裝卡時(shí)容易產(chǎn)生打滑或因夾持力過大、試樣裝卡偏斜等原因使試樣產(chǎn)生斷裂。因此，這種方法不適合于硬脆性材料彈性模量的測量。此外，萬能材料試驗(yàn)機(jī)具有體積大、能量消耗大等缺點(diǎn)。模態(tài)參數(shù)識(shí)別法是通過對固端梁施加橫向激勵(lì)，利用結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別手段獲得其橫向振動(dòng)頻率，然后推算得出被測對象的彈性模量。這種方法需要用到結(jié)構(gòu)模態(tài)測試系統(tǒng)，設(shè)備成本高，測試程序復(fù)雜。超聲波聲速測量法是通過測量超聲波在試樣中的傳播速度來推算彈性模量，這種方法只能反映被測點(diǎn)附近的特性，而且測試精度低。
[0003]泊松比的測試方法并不多見，目前主要是基于單軸拉伸實(shí)驗(yàn)法。其基本原理是通過兩個(gè)位移傳感器分別測量矩形截面承拉試樣在兩個(gè)方向上的變形量，進(jìn)而推算出泊松t匕。由于受傳感器結(jié)構(gòu)尺寸的影響，兩個(gè)位移傳感器的位移測量方向很難達(dá)到共面狀態(tài)，測量精度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述存在的問題，本發(fā)明利用矩形截面梁的四點(diǎn)彎曲原理使試樣的測試區(qū)域形成理想的單軸拉伸(或壓縮)應(yīng)力狀態(tài)，而且應(yīng)力量數(shù)值與試樣結(jié)構(gòu)尺寸、施加載荷值存在確定的理論關(guān)系。借助應(yīng)變貼片測量手段獲得測點(diǎn)在軸向和橫向兩個(gè)相互正交方向上的應(yīng)變數(shù)值，進(jìn)而可計(jì)算得出試樣的彈性模量和泊松比。該方法原理簡單、測試精度高、適用范圍廣、易于實(shí)現(xiàn)、研制成本低，可以發(fā)展為小型化、臺(tái)式、手動(dòng)操作設(shè)備，具有鉸大的推廣潛力。
[0005]四點(diǎn)彎曲彈性模量和泊松比測量方法，包括以下步驟:
[0006]步驟一，在矩形截面待測試樣的上側(cè)或下側(cè)可選測試區(qū)貼敷兩枚相互垂直的應(yīng)變片，應(yīng)變片I平行于梁的長度方向，應(yīng)變片II平行于梁的寬度方向；兩個(gè)應(yīng)變片采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)分別經(jīng)由應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元中的應(yīng)變通道I和應(yīng)變通道II傳輸至數(shù)據(jù)處理單元；[0007]步驟二，將貼好應(yīng)變片的矩形截面試樣放置于試驗(yàn)加載裝置中固定支點(diǎn)座的固定支點(diǎn)S3和S4上；通過絲杠組件施加彎曲載荷F,彎曲載荷F通過力傳感組件傳遞至活動(dòng)橫梁組件的活動(dòng)支點(diǎn)S1和S2處；使矩形截面試樣處于純彎曲狀態(tài)，從而矩形截面試樣的測試區(qū)呈現(xiàn)出單純的拉伸或壓縮應(yīng)力狀態(tài)；
[0008]步驟三，利用載荷數(shù)據(jù)采集單元采集到的彎曲載荷增量dF，與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元
通過應(yīng)變通道I采集到的被測點(diǎn)的軸向應(yīng)變增量d e x，可以按照公式
【權(quán)利要求】
1.四點(diǎn)彎曲彈性模量和泊松比測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，在矩形截面待測試樣(5)的上側(cè)或下側(cè)可選測試區(qū)貼敷兩枚相互垂直的應(yīng)變片，應(yīng)變片I平行于梁的長度方向，應(yīng)變片II平行于梁的寬度方向；兩個(gè)應(yīng)變片采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)分別經(jīng)由應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元(3)中的應(yīng)變通道I和應(yīng)變通道II傳輸至數(shù)據(jù)處理單元(4)； 步驟二，將貼好應(yīng)變片的矩形截面試樣(5)放置于試驗(yàn)加載裝置(I)中固定支點(diǎn)座(11)的固定支點(diǎn)S3和S4I ;通過絲杠組件(6)施加彎曲載荷F，彎曲載荷F通過力傳感組件(7)傳遞至活動(dòng)橫梁組件(8)的活動(dòng)支點(diǎn)S1和S2處；使矩形截面試樣(5)處于純彎曲狀態(tài)，從而矩形截面試樣(5)的測試區(qū)呈現(xiàn)出單純的拉伸或壓縮應(yīng)力狀態(tài)； 步驟三，利用載荷數(shù)據(jù)采集單元(2)采集到的彎曲載荷增量dF，與應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元(3)通過應(yīng)變通道I采集到的被測點(diǎn)的軸向應(yīng)變增量d e x，可以按照公式推算





cli' hh-得出試樣的彈性模量E ; 步驟四，利用應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元(3)分別通過應(yīng)變通道II和應(yīng)變通道I采集到的被測點(diǎn)的橫向應(yīng)變增量d e z和軸向增量d e x，可以推算得出試樣的泊松比。
2.四點(diǎn)彎曲彈性參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征是，包括:試驗(yàn)加載裝置(I)、載荷數(shù)據(jù)采集單元(2 )、應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元(3 )和數(shù)據(jù)處理單元(4 )，載荷數(shù)據(jù)采集單元(2 )和應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元(3)分別與試驗(yàn)加載裝置`(I)相連，且兩者將采集的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的四點(diǎn)彎曲彈性參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，試驗(yàn)加載裝置(I)包括: 固定板(9)與底端固定座(10)和頂端固定座(16)構(gòu)成整個(gè)裝置的機(jī)架部分；固定支點(diǎn)座(11)通過螺釘連接于底端固定座(10)，試驗(yàn)時(shí)需要將矩形截面試樣(5)放置于固定支點(diǎn)座(11)和底端固定座(10)形成的裝卡空間； 底端固定座(10)與頂端固定座(16)之間由兩根導(dǎo)向柱(13)連接； 活動(dòng)橫梁組件(8)包括活動(dòng)支點(diǎn)座(8-1)和活動(dòng)橫梁(8-2),活動(dòng)支點(diǎn)座(8-1)和活動(dòng)橫梁(8-2)分別通過兩個(gè)導(dǎo)向套(12)與導(dǎo)向柱(13)相連并形成圓柱運(yùn)動(dòng)副； 力傳感組件(7 )包括力傳感器過渡件(7 -1)和力傳感器(7 - 2 )，活動(dòng)支點(diǎn)座(8 -1)和活動(dòng)橫梁(8-2)之間通過力傳感器過渡件(7-1)和力傳感器(7-2)相連，來源于驅(qū)動(dòng)絲杠(6-1)的彎曲載荷通過止推軸承(14)作用于活動(dòng)橫梁(8-2)，進(jìn)而傳遞至活動(dòng)支點(diǎn)座(8-1)，并作用于矩形截面試樣(5);軸承壓蓋(15)通過螺釘將止推軸承(14)固定在活動(dòng)橫梁(8-2)上。 絲杠組件(6)包括驅(qū)動(dòng)絲杠(6-1)和螺母(6-2)，驅(qū)動(dòng)絲杠(6-1)通過螺母(6-2)連接于頂端固定座(16)，試驗(yàn)所需的彎曲載荷可由連接于驅(qū)動(dòng)絲杠(6-1)端部的驅(qū)動(dòng)手輪(17)來手動(dòng)提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的四點(diǎn)彎曲彈性參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，載荷數(shù)據(jù)采集單元(2 )與驗(yàn)加載裝置(I)中的力傳感器(7-2 )相連，應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元(3 )通過應(yīng)變通道II和應(yīng)變通道I與貼敷于矩形截面試樣(5)上側(cè)的應(yīng)變片相連，載荷數(shù)據(jù)采集單元(2)和應(yīng)變數(shù)據(jù)采集單元(3 )將采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理單元(4 )。
【文檔編號】G01N3/20GK103698225SQ201310687555
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】李海星, 徐鈺蕾, 沈宏海, 黃猛, 姚園, 張宇鵬 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所