CN103698225A - 四点弯曲弹性参数测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

四点弯曲弹性参数测量方法及测量系统，属于弹性参数测量领域，为解决现有技术存在的问题，本发明利用矩形截面梁的四点弯曲原理使试样的测试区域形成理想的单轴拉伸（或压缩）应力状态，而且应力量数值与试样结构尺寸、施加载荷值存在确定的理论关系，借助应变贴片测量手段获得测点在轴向和横向两个相互正交方向上的应变数值，进而可计算得出试样的弹性模量和泊松比；四点弯曲弹性参数测量系统，包括：试验加载装置、载荷数据采集单元、应变数据采集单元和数据处理单元；该方法原理简单、测试精度高、适用范围广、易于实现、研制成本低，可以发展为小型化、台式、手动操作设备，具有较大的推广潜力。

Description

四点弯曲弹性参数测量方法及测量系统

技术领域

本发明属于弹性参数测量领域，具体涉及一种固体材料的弹性参数（包括弹性模量和泊松比）测量方法和测量系统，该方法不仅可用于金属材料弹性模量和泊松比的测量，而且在解决玻璃、陶瓷等硬脆性材料弹性模量测量方面具有独特优势。

背景技术

弹性模量和泊松比是固体材料非常重要的力学性能参数，对评估结构的刚度和抗变形能力具有重要作用。目前的固体材料弹性模量测量方法主要包括单轴拉伸试验法、模态参数识别法、超声波声速测量法等。其中单轴拉伸试验法是应用最为广泛的测量方法，其基本原理是通过材料试验机对具有圆形或矩形截面的棒形试样施加轴向拉伸载荷，使其发生轴向拉伸变形，并借助位移传感器测量试样的轴向变形量，进而将轴向拉伸力和变形分别转化为应力和应变，二者之比即为弹性模量。为了获得所需的轴向拉伸变形，试样往往是通过带有齿牙状的强力卡头夹持，这种装卡方法对于金属等容易产生塑性变形的试样而言比较合适。但是对于玻璃、陶瓷等硬度高、脆性大的结构材料而言，装卡时容易产生打滑或因夹持力过大、试样装卡偏斜等原因使试样产生断裂。因此，这种方法不适合于硬脆性材料弹性模量的测量。此外，万能材料试验机具有体积大、能量消耗大等缺点。模态参数识别法是通过对固端梁施加横向激励，利用结构模态参数识别手段获得其横向振动频率，然后推算得出被测对象的弹性模量。这种方法需要用到结构模态测试系统，设备成本高，测试程序复杂。超声波声速测量法是通过测量超声波在试样中的传播速度来推算弹性模量，这种方法只能反映被测点附近的特性，而且测试精度低。

泊松比的测试方法并不多见，目前主要是基于单轴拉伸实验法。其基本原理是通过两个位移传感器分别测量矩形截面承拉试样在两个方向上的变形量，进而推算出泊松比。由于受传感器结构尺寸的影响，两个位移传感器的位移测量方向很难达到共面状态，测量精度低。

发明内容

为解决上述存在的问题，本发明利用矩形截面梁的四点弯曲原理使试样的测试区域形成理想的单轴拉伸（或压缩）应力状态，而且应力量数值与试样结构尺寸、施加载荷值存在确定的理论关系。借助应变贴片测量手段获得测点在轴向和横向两个相互正交方向上的应变数值，进而可计算得出试样的弹性模量和泊松比。该方法原理简单、测试精度高、适用范围广、易于实现、研制成本低，可以发展为小型化、台式、手动操作设备，具有铰大的推广潜力。

四点弯曲弹性模量和泊松比测量方法，包括以下步骤：

步骤一，在矩形截面待测试样的上侧或下侧可选测试区贴敷两枚相互垂直的应变片，应变片Ⅰ平行于梁的长度方向，应变片Ⅱ平行于梁的宽度方向；两个应变片采集的应变数据分别经由应变数据采集单元中的应变通道Ⅰ和应变通道Ⅱ传输至数据处理单元；

步骤二，将贴好应变片的矩形截面试样放置于试验加载装置中固定支点座的固定支点S₃和S₄上；通过丝杠组件施加弯曲载荷F，弯曲载荷F通过力传感组件传递至活动横梁组件的活动支点S₁和S₂处；使矩形截面试样处于纯弯曲状态，从而矩形截面试样的测试区呈现出单纯的拉伸或压缩应力状态；

步骤三，利用载荷数据采集单元采集到的弯曲载荷增量dF，与应变数据采集单元通过应变通道Ⅰ采集到的被测点的轴向应变增量dε_X，可以按照公式

推算得出试样的弹性模量E；

步骤四，利用应变数据采集单元分别通过应变通道Ⅱ和应变通道Ⅰ采集到的被测点的横向应变增量dε_Z和轴向增量dε_X，可以推算得出试样的泊松比。

四点弯曲弹性参数测量系统，包括：试验加载装置、载荷数据采集单元、应变数据采集单元和数据处理单元，载荷数据采集单元和应变数据采集单元分别与试验加载装置相连，且两者将采集的数据传输给数据处理单元。

试验加载装置包括：固定板与底端固定座和顶端固定座构成整个装置的机架部分；固定支点座通过螺钉连接于底端固定座，试验时需要将矩形截面试样放置于固定支点座和底端固定座形成的装卡空间；

底端固定座与顶端固定座之间由两根导向柱连接；

活动横梁组件包括活动支点座和活动横梁，活动支点座和活动横梁分别通过两个导向套与导向柱相连并形成圆柱运动副；

力传感组件包括力传感器过渡件和力传感器，活动支点座和活动横梁之间通过力传感器过渡件和力传感器相连，来源于驱动丝杠的弯曲载荷通过止推轴承作用于活动横梁，进而传递至活动支点座，并作用于矩形截面试样；

丝杠组件包括驱动丝杠和螺母，驱动丝杠通过螺母连接于顶端固定座，试验所需的弯曲载荷可由连接于驱动丝杠端部的驱动手轮来手动提供。

载荷数据采集单元与验加载装置中的力传感器相连，应变数据采集单元通过应变通道Ⅱ和应变通道Ⅰ与贴敷于矩形截面试样上侧的应变片相连，载荷数据采集单元和应变数据采集单元将采集的数据传输至数据处理单元。

本发明的有益效果是：

1、与传统的基于万能材料试验机单轴拉伸试验法相比，所提出的测量方法在测量硬脆性材料弹性模量方面具有较大优势；

2、与传统的基于万能材料试验机单轴拉伸试验法相比，本发明中提及的试样处于纯弯曲状态，试样可选测试区域呈现理想的拉伸（或压缩）变形模式，因此，弹性模量和泊松比的测量精度高；

3、由于应变片的贴敷可在试验加载装置之外进行，因此，具有操作简便的优点；

4、测试点可选择在试样承受纯弯矩区域的上侧或下侧沿长度方向的任意点，原因在于该区域试样上下侧的应力具有等值性；

5、由于采用载荷、应变增量方式计算弹性模量，因此，在力传感器和应变片精度足够的前提下，测量过程的系统误差小、丝杠传动精度要求低；

6、本发明所提出的试验加载装置结构简单、体积小、重量轻、无动力需求，可形成桌面式小型化的专用测量系统。

附图说明

图1中a是本发明所述的矩形截面梁四点弯曲原理图，c为a对应的弯矩图；b为a的A-A视图，d为A-A视图对应的应力分布图。

图2是本发明的测量系统功能布局图。

图3中a是本发明测量过程的应变片布置图，b为a的局部放大图。

图4是本发明的试验加载装置工作原理图。

图5是本发明提出的一种试验加载装置结构示意图。

图中：1、试验加载装置，2、载荷数据采集单元，3、应变数据采集单元，4、数据处理单元，5、矩形截面试样，6、丝杠组件，6-1、驱动丝杠，6-2、螺母，7、力传感组件，7-1、力传感器过渡件，7-2、力传感器，8、活动横梁组件，8-1、活动支点座，8-2、活动横梁，9、固定板，10、底端固定座，11、固定支点座，12、导向套，13、导向柱，14、止推轴承，15、轴承压盖，16、顶端固定座，17、驱动手轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，矩形截面梁四点弯曲原理。

弯曲力F通过活动支点S₁和S₂作用于梁的上侧，固定支点S₃和S₄作用于梁的下侧，S₃和S₄的反作用力与活动支点S₁和S₂的作用力使梁产生弯曲变形。固定支点S₃和S₄之间的区段仅承受纯弯矩作用，梁的中性层以上部分呈现单纯受拉状态，中性层以下部分呈现单纯受压状态。由欧拉-贝努利梁理论可知应变片位置的应力理论值如式（1）所示，同时依据胡克定律可知应力-应变关系如式（2）所示。

$\mathrm{\σ}=\frac{M}{I_Z}\·\frac{h}{2}=\frac{{\mathrm{FL}}_2/2}{{\mathrm{bh}}^3/12}\·\frac{h}{2}=\frac{3{\mathrm{FL}}_2}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(1\right)$

σ＝Eε                   （2）

联立式（1）（2）可得试样的弹性模量E与弯曲力增量dF以及应变dε之间的关系如式（3）所示。

$E=\frac{\mathrm{dF}}{\mathrm{d\ϵ}}\·\frac{{3L}_2}{{\mathrm{bh}}^2}---\left(3\right)$

式（3）中的b和h分别为梁截面的宽度和高度，L₂为活动支点和固定支点之间的距离，这三个量均为常量。式（3）的意义在于可以通过测量总弯曲力F的增量dF和梁上侧或下侧应变增量dε来测量试样的弹性模量E。

如图2所示，依据上述原理，本发明四点弯曲弹性参数测量系统，包括：试验加载装置1、载荷数据采集单元2、应变数据采集单元3和数据处理单元4，载荷数据采集单元2和应变数据采集单元3分别与试验加载装置1相连，且两者将采集的数据传输给数据处理单元4。

弹性模量和泊松比的测量过程具体如下：

步骤一，如图3所示，在矩形截面待测试样5的上侧或下侧可选测试区贴敷两枚相互垂直的应变片，其中，应变片Ⅰ平行于梁的长度方向（X向），应变片Ⅱ平行于梁的宽度方向（Z向）。两个应变片采集的应变数据分别经由应变数据采集单元3中的应变通道Ⅰ和应变通道Ⅱ传输至数据处理单元4。

步骤二，如图4所示，将贴好应变片的矩形截面试样5放置于试验加载装置1中固定支点座11的固定支点S₃和S₄上。通过丝杠组件6施加弯曲载荷F，弯曲载荷F通过力传感组件7传递至活动横梁组件8的活动支点S₁和S₂处。使矩形截面试样5处于纯弯曲状态，从而矩形截面试样5的测试区呈现出单纯的拉伸（或压缩）应力状态。

步骤三，利用载荷数据采集单元2采集到的弯曲载荷增量dF，与应变数据采集单元3通过应变通道Ⅰ采集到的被测点的轴向应变增量dε_X，可以按照式（3）推算得出试样的弹性模量E。

步骤四，利用应变数据采集单元3分别通过应变通道Ⅱ和应变通道Ⅰ采集到的被测点的横向应变增量dε_Z和轴向增量dε_X，可以推算得出试样的泊松比。

依据上述的测试方法，试验加载装置1需要具备弯曲载荷施加、载荷测量、试样定位装卡等功能。为了达到所提出的试验功能，试验加载装置1可能存在多种结构方案。

本发明提出了一种手动式的试验加载装置结构方案。

如图5所示，固定板9与底端固定座10和顶端固定座16构成整个装置的机架部分。固定支点座11通过螺钉连接于底端固定座10，试验时需要将矩形截面试样5放置于固定支点座11和底端固定座10形成的装卡空间。

底端固定座10与顶端固定座16之间由两根导向柱13连接。

活动横梁组件8包括活动支点座8-1和活动横梁8-2，活动支点座8-1和活动横梁8-2分别通过两个导向套12与导向柱13相连并形成圆柱运动副。

力传感组件7包括力传感器过渡件7-1和力传感器7-2，活动支点座8-1和活动横梁8-2之间通过力传感器过渡件7-1和力传感器7-2相连，来源于驱动丝杠6-1的弯曲载荷通过止推轴承14作用于活动横梁8-2，进而传递至活动支点座8-1，并作用于矩形截面试样5。轴承压盖15通过螺钉将止推轴承14固定在活动横梁8-2上。

载荷数据采集单元2与验加载装置1中的力传感器7-2相连，应变数据采集单元3通过应变通道Ⅱ和应变通道Ⅰ与贴敷于矩形截面试样5上侧的应变片相连，载荷数据采集单元2和应变数据采集单元3将采集的数据传输至数据处理单元4。

丝杠组件6包括驱动丝杠6-1和螺母6-2，驱动丝杠6-1通过螺母6-2连接于顶端固定座16，试验所需的弯曲载荷可由连接于驱动丝杠6-1端部的驱动手轮17来手动提供。

上述所提出的试验装置具体结构方案是最为简单、绿色环保的一种。载荷施加也可采取电动、气动或液压等多种驱动方式，在选择这些驱动方式时，传动机构的选择也各有所不同。不论选择何种驱动方式，都需要慎重考虑最终作用于活动支点座8-1的载荷形式和作用方向，尽量避免额外弯矩分量的产生，这些因素会对测量精度造成影响。

Claims (4)

1.四点弯曲弹性模量和泊松比测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在矩形截面待测试样（5）的上侧或下侧可选测试区贴敷两枚相互垂直的应变片，应变片Ⅰ平行于梁的长度方向，应变片Ⅱ平行于梁的宽度方向；两个应变片采集的应变数据分别经由应变数据采集单元（3）中的应变通道Ⅰ和应变通道Ⅱ传输至数据处理单元（4）；

步骤二，将贴好应变片的矩形截面试样（5）放置于试验加载装置（1）中固定支点座（11）的固定支点S₃和S₄上；通过丝杠组件（6）施加弯曲载荷F，弯曲载荷F通过力传感组件（7）传递至活动横梁组件（8）的活动支点S₁和S₂处；使矩形截面试样（5）处于纯弯曲状态，从而矩形截面试样（5）的测试区呈现出单纯的拉伸或压缩应力状态；

步骤三，利用载荷数据采集单元（2）采集到的弯曲载荷增量dF，与应变数据采集单元（3）通过应变通道Ⅰ采集到的被测点的轴向应变增量dε_X，可以按照公式

推算得出试样的弹性模量E；

步骤四，利用应变数据采集单元（3）分别通过应变通道Ⅱ和应变通道Ⅰ采集到的被测点的横向应变增量dε_Z和轴向增量dε_X，可以推算得出试样的泊松比。

2.四点弯曲弹性参数测量系统，其特征是，包括：试验加载装置（1）、载荷数据采集单元（2）、应变数据采集单元（3）和数据处理单元（4），载荷数据采集单元（2）和应变数据采集单元（3）分别与试验加载装置（1）相连，且两者将采集的数据传输给数据处理单元（4）。

3.根据权利要求2所述的四点弯曲弹性参数测量系统，其特征在于，试验加载装置（1）包括：

固定板（9）与底端固定座（10）和顶端固定座（16）构成整个装置的机架部分；固定支点座（11）通过螺钉连接于底端固定座（10），试验时需要将矩形截面试样（5）放置于固定支点座（11）和底端固定座（10）形成的装卡空间；

底端固定座（10）与顶端固定座（16）之间由两根导向柱（13）连接；

活动横梁组件（8）包括活动支点座（8-1）和活动横梁（8-2），活动支点座（8-1）和活动横梁（8-2）分别通过两个导向套（12）与导向柱（13）相连并形成圆柱运动副；

力传感组件（7）包括力传感器过渡件（7-1）和力传感器（7-2），活动支点座（8-1）和活动横梁（8-2）之间通过力传感器过渡件（7-1）和力传感器（7-2）相连，来源于驱动丝杠（6-1）的弯曲载荷通过止推轴承（14）作用于活动横梁（8-2），进而传递至活动支点座（8-1），并作用于矩形截面试样（5）；轴承压盖（15）通过螺钉将止推轴承（14）固定在活动横梁（8-2）上。

丝杠组件（6）包括驱动丝杠（6-1）和螺母（6-2），驱动丝杠（6-1）通过螺母（6-2）连接于顶端固定座（16），试验所需的弯曲载荷可由连接于驱动丝杠（6-1）端部的驱动手轮（17）来手动提供。

4.根据权利要求3所述的四点弯曲弹性参数测量系统，其特征在于，载荷数据采集单元（2）与验加载装置（1）中的力传感器（7-2）相连，应变数据采集单元（3）通过应变通道Ⅱ和应变通道Ⅰ与贴敷于矩形截面试样（5）上侧的应变片相连，载荷数据采集单元（2）和应变数据采集单元（3）将采集的数据传输至数据处理单元（4）。

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