CN103808574A - 木材泊松比的动态测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速、简便、精度高的木材泊松比的动态测试方法，其是在长方体试件一侧面上粘贴两个相垂直的应变片，两个应变片的方向分别沿着试件的纵向和横向方向；应变片分别与应变测量系统相连；试件的一端固定，通过敲击试件的另一端，使得试件在与粘贴有应变片的侧面相垂直的方向上作一阶自由振动；在试件振动时通过应变测量系统测量出两个应变片随时间变化的应变量波形；把横向方向应变片的应变量波形的峰峰值与纵向方向应变片的应变量波形的峰峰值相比得到泊松比。

Description

木材泊松比的动态测试方法

技术领域

本技术涉及泊松比的测试方法，具体地说，是木材泊松比的动态测试方法。

背景技术

弹性模量和泊松比是表征材料力学行为的两个重要参数。而材料的泊松比是指在轴向拉(压)时横向应变与纵向应变之比的绝对值，亦是反映材料横向变形的弹性常数。测试材料泊松比的方法很多，有利用两对引伸仪的机械方法，有采用布里渊散射（SBS）、表面声波（SAW）和声显微学（AM）等的声学方法，还有根据光弹性波理论、弹性共振振动理论的光学方法，以及电测法等。但是目前对于木材泊松比的研究相对较少，尤其是粘弹性材料泊松比的动态测定还没有引起足够重视。

根据粘弹性材料的载荷性质不同，分为静态粘弹性泊松比和动态复数泊松比，分别表征在拉伸静载荷下和动态拉伸载荷作用下，材料的横向应变对纵向应变的响应。由于材料的粘弹性，试件在外载作用下要产生松弛或蠕变，横向应变响应滞后于纵向变形。因此粘弹性泊松比的表达式没有线弹性材料那么简单。

用途广泛的木材作为一种非均值的、各向异性的天然高分子材料，许多性质都有别于其它材料。木材的力学性质包括应力与应变关系、弹性、粘弹性（塑性、蠕变）、强度、硬度等，其力学性质更是与其它匀质材料有着明显的差异。例如木材所有力学性能指标参数因其含水率（纤维饱和点以下）的变化而产生很大程度上的改变；木材会表现除介于弹性和非弹性体之间的黏弹性，发生蠕变现象，且其力学性质还会受载荷时间和环境条件等影响。木材的弯曲弹性模量E、剪切弹性模量G和泊松比μ通常统称为其弹性常数。因此，用动力学振动法研究具有粘弹性的木材泊松比弹性常数尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速、简便、精度高的木材泊松比的动态测试方法。

本发明的木材泊松比的动态测试方法，在长方体试件一侧面上粘贴两个相垂直的应变片，两个应变片的方向分别沿着试件的纵向和横向方向；应变片分别与应变测量系统相连；试件的一端固定，通过敲击试件的另一端，使得试件在与粘贴有应变片的侧面相垂直的方向上作一阶自由振动；在试件振动时通过应变测量系统测量出两个应变片随时间变化的应变量波形；把横向方向应变片的应变量波形的峰峰值与纵向方向应变片的应变量波形的峰峰值相比得到泊松比。

上述的木材泊松比的动态测试方法，两个应变片粘贴在木材的顺纹径切面上，所得到泊松比为径切面顺纹泊松比。

上述的木材泊松比的动态测试方法，两个应变片粘贴在木材的横纹径切面上，所得到泊松比为径切面横纹泊松比。

上述的木材泊松比的动态测试方法，两个应变片粘贴在木材的横切面上，所得到泊松比为横切面横纹泊松比。

上述的木材泊松比的动态测试方法，应变测量系统包括信号调理仪、动态应变仪、信号采集箱、具有信号采集与分析软件的计算机。应变片、信号调理仪、动态应变仪、信号采集箱、计算机依次相连。

本发明的有益效果：本发明根据悬臂板一阶弯曲振形给出了动态测试木材泊松比的方法，以该方法测试木材试件顺纹和横纹泊松比时，具有快速、简便、精度高的优点。

附图说明

图1是测试径切面顺纹μ_LR时横向应变片1与纵向应变片2粘贴在LR面4上的示意图。

图2是测试径切面横纹μ_RL时横向应变片1与纵向应变片2粘贴在LR面3上的示意图。

图3是测试横切面横纹μ_RT时横向应变片1与纵向应变片2粘贴在TR面5上的示意图。

图4是试验框图。

图5是径切面顺纹试件上的横向应变片应变量的变化图。

图6是径切面顺纹试件上的纵向应变片应变量的变化图。

图7是横切面横纹试件上的横向应变片应变量的变化图。

图8是横切面横纹试件上的纵向应变片应变量的变化图。

图9是径切面横纹试件上的横向应变片应变量的变化图。

图10是径切面横纹试件上的纵向应变片应变量的变化图。

图11是低碳钢板上的横向应变片应变量的变化图。

图12是低碳钢板上的纵向应变片应变量的变化图。

具体实施方式

1树种、仪器、试件尺寸和取向

1.1试件树种

西加云杉(picea spp.)，木材比重约为0.37-0.42g/cm³，木理通直，产地美国，因具有较好的共振音响性质，作为钢琴响板的主要用材。

1.2仪器与工夹量具

1.2.1电阻应变仪系统1套

由YD-28A型四通道动态（电阻）应变仪1台、电桥盒2只(测试泊松比用两个通道)和应变片组成十字应变花。

该系统工作原理是利用金属材料的特性，把机械量转换成电量的测量仪器。应变测量的转换元件应变片是用极细的金属电阻丝绕成或用金属箔片印刷腐蚀而成，并用502胶水将应变片牢固地贴在试件上。当被测试件受外力作用下，因试件的长度发生变化，导致应变片的电阻值发生变化，即把机械量（变形）转换成电量（电阻值变化），最终换算成相应的应变ε值。

1.2.2CRAS振动及动态信号采集分析系统1套（南京安正软件工程有限责任公司生产）

该系统包括AZ802型信号调理仪、AZ308R型信号采集箱、AdCras信号采集与分析软件、计算机等。

1.2.3工夹量具

活动扳手1把、台虎钳1台、橡胶锤1把、广卓701型外径千分尺（0～25mm）1把、Kanghong牌钢卷尺（0～5m）1把、HK-30型木材水份仪（Wood Moisture tester）1只等。

1.3试件尺寸和取向

1.3.1径切板（顺纹），数量5:试件尺寸280mm×60mm×12.2mm,悬臂外伸240mm(长宽比为4);

1.3.2横切面（横纹）:试件尺寸280mm×60mm×12.2mm,悬臂外伸240mm(长宽比为4);

1.3.3径切板（横纹）:从尺寸500mm×123mm×12.2mm的径切板上横向截取123mm×36mm×8mm的试件作为径切板横纹试件,悬臂外伸108mm(长宽比为3)。

上述试件的气干含水率ρ为9-11%。

2泊松比定义示意图

本试件取向坐标系如图1-3所示。L,T,R分别表示树干方向,年轮的切向和径向。泊松比μ的下标由两个数字组成,第1个下标表示拉伸方向与纵向应变片方位,第2个下标表示横向应变片方位,例如μ_LR表示沿L方向拉伸产生径向的横向应变与纵向应变的比值绝对值。按本文坐标系及图示贴应变片时,泊松比值始终等于横向应变与纵向应变比值的绝对值。

3试验方法与过程

本试验的室内环境温度为18℃，环境湿度为45%，环境无外界强磁场干扰和腐蚀性气体，电源电压交流220V、频率50Hz。

3.1试验框图

图4中，沿云杉试件纵向和横向的应变片分别测纵向应变和横向应变；信号调理仪具有信号放大、滤波功能；动态应变仪用两个通道,采用1/4桥的桥路接法,分别测量动态的横向应变和纵向应变，动态应变仪输出信号经AZ采集箱中A/D芯片将模拟信号数字化,再输入计算机，经AdCras软件采集画出振波曲线。

3.2试验步骤

(1)对径切面顺纹试件和横切面横纹试件(长宽比为4),台虎钳夹持试件4cm,在距固定端（被夹持端）12cm(即悬臂外伸长度（跨度）L的一半，即0.5L)处贴十字应变花;对径切面横纹试件(长宽比为3),台虎钳夹持试件1.5cm,在距固定端（被夹持端）6.48cm(即悬臂外伸长度（跨度）L的0.6倍)处贴十字应变花；

(2)按图2连接各仪器。应变仪灵敏度设为5mV/με,并进行标定确定之；

(3)调用数据采集程序AdCras,建立试验作业；

(4)参数设置:触发采集;采样频率视试件尺寸而定,本试验径切面顺纹试件采样频率5120Hz,径切面横纹试件采样频率1280Hz,横切面横纹试件采样频率256Hz;平均次数取1;滤波频率设置是重要的,要保证在敲击试件时仅实现基频的弯曲振动,一般的动态应变仪滤波效果不好,故在动态应变仪前接入信号调理仪,主要是考虑滤波效果；

(6)示波,以检查线路是否接通,参数设置是否合理；

(7)敲击试件,激发试件在与粘贴有应变片的侧面相垂直的方向上作基频自由振动,采集数据,查看振波曲线；

(8)试验数据存盘。

4结果与分析

4.1振波曲线

本试验的径切面顺纹、横切面横纹、径切面横纹试件的振波曲线分别如图5-10所示。

4.2试验结果

各振波曲线图中，图5、7、9是连接在第一通道Ch1中的横向应变片的应变量ε（由于ε很小，所以图中纵坐标采用με表示，即10^-6ε）随时间（单位ms）的变化波形图，图6、8、10为连接在第二通道Ch2中的纵向应变片的应变量ε（由于ε很小，所以图中纵坐标采用με表示，即10^-6ε）随时间（单位ms）的变化波形图。从振波曲线上读出第一通道Ch1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(取绝对值)作为该试件测得的泊松比,其结果见表1。例如，图5-10中，应变量ε的峰峰值分别为89.1,241.5，26.1,56.2，3.77,195.70。

表1.云杉木泊松比μ_LR、μ_RL和μ_RT测量值

4.3结果分析

(1)低碳钢板验证

为了验证本文测试木材泊松比方法的正确性，在一块低碳钢板180mm×45mm×3mm(长宽比4:1)跨中贴应变花（横向应变片和纵向应变片的粘贴方向如前述）,测其泊松比，其应变振波曲线如图11、12所示。

从振波曲线第一通道和第二通道读出峰峰值,计算它们比值后取平均值,得低碳钢的泊松比的测量值:μ=0.28(规范值是0.25-0.28)。例如，图11、12中的应变量的峰峰值分别为15.3,46.7。

(2)本文测得μ_LR=0.37,μ_RL=0.035,径切面顺纹泊松比μ_LR与径切面横纹泊松比μ_RL测量值之比为10.6,即径切面顺纹泊松比比径切面横纹泊松比大一个数量级。

根据E_Lμ_LR=E_Rμ_RL,可得得到径切面顺纹弹性模量E_L比径切面横纹弹性模量E_R大一个数量级,这体现了木材的各向异性。

(3)将单向板的刚度系数

应用于径切面顺纹。这时E₁=E_L,μ₁₂=μ_LR,μ₂₁=μ_RL。当悬臂板长宽比L/b=4时,Q₁₁与板长度L、厚度h、密度ρ、一阶弯曲频率f₁之间的关系可表为:

$Q_{11}=\frac{E_1}{1-{\mathrm{\μ}}_{21}{\mathrm{\μ}}_{12}}=39.11\frac{\mathrm{\ρ}{L}^4{f_1}^2}{h^2},(L/b=4)$

而用悬臂梁公式推算弹性模量公式为:

将实測的μ_LR、μ_RL值代入用Q₁₁表达式中计算的弹性模量值偏大于悬臂梁公式推算的弹性模量值0.7%,即悬臂梁公式推算的弹性模量比实际弹性模量偏小0.7%。

5结论

5.1根据悬臂板的一阶弯曲振形测试泊松比的动态方法是行之有效的,具有快速、简便、精度高的优点;

5.2云杉径切面顺纹的泊松比值比径切面横纹泊松比值大1个数量级,体现了木材的各向异性;

5.3用悬臂板云杉试件测得的一阶固有频率,代入到悬臂梁理论公式推算的弹性模量值具有足够精度。

Claims (5)

1.木材泊松比的动态测试方法，其特征是：在长方体试件一侧面上粘贴两个相垂直的应变片，两个应变片的方向分别沿着试件的纵向和横向方向；应变片分别与应变测量系统相连；试件的一端固定，通过敲击试件的另一端，使得试件在与粘贴有应变片的侧面相垂直的方向上作一阶自由振动；在试件振动时通过应变测量系统测量出两个应变片随时间变化的应变量波形；把横向方向应变片的应变量波形的峰峰值与纵向方向应变片的应变量波形的峰峰值相比得到泊松比。

2.如权利要求1所述的木材泊松比的动态测试方法，其特征是：两个应变片粘贴在木材的顺纹径切面上，所得到泊松比为径切面顺纹泊松比。

3.如权利要求1所述的木材泊松比的动态测试方法，其特征是：两个应变片粘贴在木材的横纹径切面上，所得到泊松比为径切面横纹泊松比。

4.如权利要求1所述的木材泊松比的动态测试方法，其特征是：两个应变片粘贴在木材的横切面上，所得到泊松比为横切面横纹泊松比。

5.如权利要求1-4任一所述的木材泊松比的动态测试方法，其特征是：应变测量系统包括信号调理仪、动态应变仪、信号采集箱、具有信号采集与分析软件的计算机。应变片、信号调理仪、动态应变仪、信号采集箱、计算机依次相连。

Images