木材泊松比的動態(tài)測試方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種快速、簡便、精度高的木材泊松比的動態(tài)測試方法，其是在長方體試件一側(cè)面上粘貼兩個相垂直的應變片，兩個應變片的方向分別沿著試件的縱向和橫向方向；應變片分別與應變測量系統(tǒng)相連；試件的一端固定，通過敲擊試件的另一端，使得試件在與粘貼有應變片的側(cè)面相垂直的方向上作一階自由振動；在試件振動時通過應變測量系統(tǒng)測量出兩個應變片隨時間變化的應變量波形；把橫向方向應變片的應變量波形的峰峰值與縱向方向應變片的應變量波形的峰峰值相比得到泊松比。
【專利說明】木材泊松比的動態(tài)測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本技術(shù)涉及泊松比的測試方法，具體地說，是木材泊松比的動態(tài)測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]彈性模量和泊松比是表征材料力學行為的兩個重要參數(shù)。而材料的泊松比是指在軸向拉(壓)時橫向應變與縱向應變之比的絕對值，亦是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。測試材料泊松比的方法很多，有利用兩對引伸儀的機械方法，有采用布里淵散射(SBS)、表面聲波(SAW)和聲顯微學(AM)等的聲學方法，還有根據(jù)光彈性波理論、彈性共振振動理論的光學方法，以及電測法等。但是目前對于木材泊松比的研究相對較少，尤其是粘彈性材料泊松比的動態(tài)測定還沒有引起足夠重視。
[0003]根據(jù)粘彈性材料的載荷性質(zhì)不同，分為靜態(tài)粘彈性泊松比和動態(tài)復數(shù)泊松比，分別表征在拉伸靜載荷下和動態(tài)拉伸載荷作用下，材料的橫向應變對縱向應變的響應。由于材料的粘彈性，試件在外載作用下要產(chǎn)生松弛或蠕變，橫向應變響應滯后于縱向變形。因此粘彈性泊松比的表達式?jīng)]有線彈性材料那么簡單。
[0004]用途廣泛的木材作為一種非均值的、各向異性的天然高分子材料，許多性質(zhì)都有別于其它材料。木材的力學性質(zhì)包括應力與應變關(guān)系、彈性、粘彈性(塑性、蠕變)、強度、硬度等，其力學性質(zhì)更是與其它勻質(zhì)材料有著明顯的差異。例如木材所有力學性能指標參數(shù)因其含水率(纖維飽和點以下)的變化而產(chǎn)生很大程度上的改變；木材會表現(xiàn)除介于彈性和非彈性體之間的黏彈性，發(fā)生蠕變現(xiàn)象，且其力學性質(zhì)還會受載荷時間和環(huán)境條件等影響。木材的彎曲彈性模量E、剪切彈性模量G和泊松比μ通常統(tǒng)稱為其彈性常數(shù)。因此，用動力學振動法研究具有粘彈性的木材泊松比彈性常數(shù)尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種快速、簡便、精度高的木材泊松比的動態(tài)測試方法。
[0006]本發(fā)明的木材泊松比的動態(tài)測試方法，在長方體試件一側(cè)面上粘貼兩個相垂直的應變片，兩個應變片的方向分別沿著試件的縱向和橫向方向；應變片分別與應變測量系統(tǒng)相連；試件的一端固定，通過敲擊試件的另一端，使得試件在與粘貼有應變片的側(cè)面相垂直的方向上作一階自由振動；在試件振動時通過應變測量系統(tǒng)測量出兩個應變片隨時間變化的應變量波形；把橫向方向應變片的應變量波形的峰峰值與縱向方向應變片的應變量波形的峰峰值相比得到泊松比。
[0007]上述的木材泊松比的動態(tài)測試方法，兩個應變片粘貼在木材的順紋徑切面上，所得到泊松比為徑切面順紋泊松比。
[0008]上述的木材泊松比的動態(tài)測試方法，兩個應變片粘貼在木材的橫紋徑切面上，所得到泊松比為徑切面橫紋泊松比。
[0009]上述的木材泊松比的動態(tài)測試方法，兩個應變片粘貼在木材的橫切面上，所得到泊松比為橫切面橫紋泊松比。[0010]上述的木材泊松比的動態(tài)測試方法，應變測量系統(tǒng)包括信號調(diào)理儀、動態(tài)應變儀、信號采集箱、具有信號采集與分析軟件的計算機。應變片、信號調(diào)理儀、動態(tài)應變儀、信號采集箱、計算機依次相連。
[0011]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明根據(jù)懸臂板一階彎曲振形給出了動態(tài)測試木材泊松比的方法，以該方法測試木材試件順紋和橫紋泊松比時，具有快速、簡便、精度高的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是測試徑切面順紋μ LE時橫向應變片I與縱向應變片2粘貼在LR面4上的示意圖。
[0013]圖2是測試徑切面橫紋μ EL時橫向應變片I與縱向應變片2粘貼在LR面3上的示意圖。
[0014]圖3是測試橫切面橫紋μ ΕΤ時橫向應變片I與縱向應變片2粘貼在TR面5上的示意圖。
[0015]圖4是試驗框圖。
[0016]圖5是徑切面順紋試件上的橫向應變片應變量的變化圖。
[0017]圖6是徑切面順紋試件上的縱向應變片應變量的變化圖。
[0018]圖7是橫切面橫紋試件上的橫向應變片應變量的變化圖。
[0019]圖8是橫切面橫紋試件上的縱向應變片應變量的變化圖。
[0020]圖9是徑切面橫紋試件上的橫向應變片應變量的變化圖。
[0021]圖10是徑切面橫紋試件上的縱向應變片應變量的變化圖。
[0022]圖11是低碳鋼板上的橫向應變片應變量的變化圖。
[0023]圖12是低碳鋼板上的縱向應變片應變量的變化圖。
【具體實施方式】
[0024]I樹種、儀器、試件尺寸和取向
[0025]1.1試件樹種
[0026]西加云杉(picea spp.),木材比重約為0.37_0.42g/cm3,木理通直,產(chǎn)地美國，因具有較好的共振音響性質(zhì)，作為鋼琴響板的主要用材。
[0027]1.2儀器與工夾量具
[0028]1.2.1電阻應變儀系統(tǒng)I套
[0029]由YD-28A型四通道動態(tài)(電阻)應變儀I臺、電橋盒2只(測試泊松比用兩個通道)和應變片組成十字應變花。
[0030]該系統(tǒng)工作原理是利用金屬材料的特性，把機械量轉(zhuǎn)換成電量的測量儀器。應變測量的轉(zhuǎn)換元件應變片是用極細的金屬電阻絲繞成或用金屬箔片印刷腐蝕而成，并用502膠水將應變片牢固地貼在試件上。當被測試件受外力作用下，因試件的長度發(fā)生變化，導致應變片的電阻值發(fā)生變化，即把機械量(變形)轉(zhuǎn)換成電量(電阻值變化)，最終換算成相應的應變ε值。
[0031]1.2.2CRAS振動及動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)I套(南京安正軟件工程有限責任公司生產(chǎn))[0032]該系統(tǒng)包括AZ802型信號調(diào)理儀、AZ308R型信號采集箱、AdCras信號采集與分析軟件、計算機等。
[0033]1.2.3工夾量具
[0034]活動扳手1把、臺虎鉗1臺、橡膠錘1把、廣卓701型外徑千分尺(O~25mm)l把、Kanghong牌鋼卷尺(O~5m)1把、HK-30型木材水份儀(Wood Moisture tester) I只等。
[0035]1.3試件尺寸和取向
[0036]1.3.1徑切板(順紋)，數(shù)量5:試件尺寸280mmX60mmX 12.2mm,懸臂外伸240mm (長寬比為4);
[0037]1.3.2橫切面(橫紋):試件尺寸280mmX60mmX 12.2mm,懸臂外伸240mm(長寬比為4);
[0038]1.3.3徑切板(橫紋):從尺寸500mmX 123mmX 12.2mm的徑切板上橫向截取123mmX36mmX8mm的試件作為徑切板橫紋試件，懸臂外伸108mm(長寬比為3)。
[0039]上述試件的氣干含水率P為9-11%。
[0040]2泊松比定義示意圖
[0041]本試件取向坐標系如圖1-3所示。L，T，R分別表示樹干方向，年輪的切向和徑向。泊松比μ的下標由兩個數(shù)字組成，第I個下標表示拉伸方向與縱向應變片方位，第2個下標表不橫向應變片方位，例如μm表不沿L方向拉伸產(chǎn)生徑向的橫向應變與縱向應變的比值絕對值。按本文坐標系及圖示貼應變片時，泊松比值始終等于橫向應變與縱向應變比值的絕對值。
[0042]3試驗方法與過程
[0043]本試驗的室內(nèi)環(huán)境溫度為18 °C，環(huán)境濕度為45%，環(huán)境無外界強磁場干擾和腐蝕性氣體，電源電壓交流220V、頻率50Hz。
[0044]3.1試驗框圖
[0045]圖4中，沿云杉試件縱向和橫向的應變片分別測縱向應變和橫向應變；信號調(diào)理儀具有信號放大、濾波功能；動態(tài)應變儀用兩個通道，采用1/4橋的橋路接法，分別測量動態(tài)的橫向應變和縱向應變，動態(tài)應變儀輸出信號經(jīng)AZ采集箱中A/D芯片將模擬信號數(shù)字化，再輸入計算機，經(jīng)AdCras軟件采集畫出振波曲線。
[0046]3.2試驗步驟
[0047](1)對徑切面順紋試件和橫切面橫紋試件(長寬比為4)，臺虎鉗夾持試件4cm，在距固定端(被夾持端)12cm(即懸臂外伸長度(跨度)L的一半，即0.5L)處貼十字應變花；對徑切面橫紋試件(長寬比為3)，臺虎鉗夾持試件1.5cm，在距固定端(被夾持端)6.48cm(即懸臂外伸長度(跨度)L的0.6倍)處貼十字應變花；
[0048](2)按圖2連接各儀器。應變儀靈敏度設(shè)為5mV/l.! ε，并進行標定確定之；
[0049](3)調(diào)用數(shù)據(jù)采集程序AdCras，建立試驗作業(yè)；
[0050](4)參數(shù)設(shè)置:觸發(fā)采集；采樣頻率視試件尺寸而定，本試驗徑切面順紋試件采樣頻率5120Hz，徑切面橫紋試件采樣頻率1280Hz，橫切面橫紋試件采樣頻率256Hz ;平均次數(shù)取I;濾波頻率設(shè)置是重要的，要保證在敲擊試件時僅實現(xiàn)基頻的彎曲振動，一般的動態(tài)應變儀濾波效果不好，故在動態(tài)應變儀前接入信號調(diào)理儀，主要是考慮濾波效果；
[0051](6)示波，以檢查線路是否接通，參數(shù)設(shè)置是否合理；[0052](7)敲擊試件，激發(fā)試件在與粘貼有應變片的側(cè)面相垂直的方向上作基頻自由振動，采集數(shù)據(jù)，查看振波曲線；
[0053](8)試驗數(shù)據(jù)存盤。
[0054]4結(jié)果與分析
[0055]4.1振波曲線
[0056]本試驗的徑切面順紋、橫切面橫紋、徑切面橫紋試件的振波曲線分別如圖5-10所示。
[0057]4.2試驗結(jié)果
[0058]各振波曲線圖中，圖5、7、9是連接在第一通道Chl中的橫向應變片的應變量ε(由于ε很小，所以圖中縱坐標采用μ ε表示，g卩10_6 ε )隨時間(單位ms)的變化波形圖，圖6、8、10為連接在第二通道Ch2中的縱向應變片的應變量ε (由于ε很小，所以圖中縱坐標采用μ ε表示，即10_6ε )隨時間(單位ms)的變化波形圖。從振波曲線上讀出第一通道Chl和第二通道Ch2的峰峰值，采用第一通道和第二通道峰峰值比值的平均值(取絕對值)作為該試件測得的泊松比，其結(jié)果見表1。例如，圖5-10中，應變量ε的峰峰值分別為 89.1, 241.5，26.1, 56.2，3.77，195.70。
[0059]表1.云杉木泊松比μ y；、μ 和μκτ測量值
[0060]
【權(quán)利要求】
1.木材泊松比的動態(tài)測試方法，其特征是:在長方體試件一側(cè)面上粘貼兩個相垂直的應變片，兩個應變片的方向分別沿著試件的縱向和橫向方向；應變片分別與應變測量系統(tǒng)相連；試件的一端固定，通過敲擊試件的另一端，使得試件在與粘貼有應變片的側(cè)面相垂直的方向上作一階自由振動；在試件振動時通過應變測量系統(tǒng)測量出兩個應變片隨時間變化的應變量波形；把橫向方向應變片的應變量波形的峰峰值與縱向方向應變片的應變量波形的峰峰值相比得到泊松比。
2.如權(quán)利要求1所述的木材泊松比的動態(tài)測試方法，其特征是:兩個應變片粘貼在木材的順紋徑切面上，所得到泊松比為徑切面順紋泊松比。
3.如權(quán)利要求1所述的木材泊松比的動態(tài)測試方法，其特征是:兩個應變片粘貼在木材的橫紋徑切面上，所得到泊松比為徑切面橫紋泊松比。
4.如權(quán)利要求1所述的木材泊松比的動態(tài)測試方法，其特征是:兩個應變片粘貼在木材的橫切面上，所得到泊松比為橫切面橫紋泊松比。
5.如權(quán)利要求1-4任一所述的木材泊松比的動態(tài)測試方法，其特征是:應變測量系統(tǒng)包括信號調(diào)理儀、動態(tài)應變儀、信號采集箱、具有信號采集與分析軟件的計算機。應變片、信號調(diào)理儀、動態(tài)應變儀、信號采集箱、計算機依次相連。
【文檔編號】G01N3/34GK103808574SQ201410069394
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】王正, 劉斌, 王亞磊, 高子震, 梁星宇, 楊燕, 顧玲玲 申請人:南京林業(yè)大學