CN106596306A - 一种木质板材弹性常数的同步测试方法 - Google Patents

一种木质板材弹性常数的同步测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种木质板材弹性常数的同步测试方法，包括基于模态测试的木质板材弹性常数的测试方法、测试系统的构成和相应的操作步骤。该测试方法基于两宽度方向边简支和两长度方向边自由的边界条件下的正交各向异性薄板横向振动理论，通过力锤敲击待测板材发明所诉位置并采集所述自然频率，采用迭代程序可以同步输出待测板材的长度和宽度两个方向的弹性模量和面内剪切模量。

Description

一种木质板材弹性常数的同步测试方法
【技术领域】
本发明涉及建筑材料力学性能测试技术领域，尤其涉及一种基于模态测试的结构用木质板材，如正交胶合木(Cross Laminated Timber,CLT)、结构复合木材(StructuralComposite Lumber,SCL)、定向刨花板(Oriented Strand Board,OSB)和胶合板(Plywood)等板材产品的弹性常数的同步检测方法。
【背景技术】
为下一代创造良好的生存环境已经成为全球共识。作为可持续、可再生的绿色环保材料，木材越来越受到的关注，木结构建筑也由此越来越受到青睐。木结构建筑具有良好的结构稳定性、防火性能、隔声性能、及抗震性能，特别是在地震多发地区，其表现尤为突出。近年来风靡世界的以正交胶合木为代表的结构用木质板材板材，已经被广泛应用于低层和中层建筑的重型木结构建筑中。正交胶合木是由多层木板制造而成，其中相邻层的木板纹理方向互相垂直，通常使用胶粘剂胶合而成为一个整体，可作为房屋建筑中的墙板、楼板和屋顶板，并通过紧固件相联而构成整栋木结构建筑。虽然正交胶合木采用分等规格材生产而成，但其整体力学性能会受到规格材差异、加压工艺和胶合工艺的影响。而且，由于正交胶合木幅面大，长度为3到20米，宽度为1到3米，单块板材即可用于楼板、墙板和屋盖的加工制作，因此每块板材的质量控制显得尤为重要。
传统的对于木质板材的质量控制之一是采用静力测试方法测试板材的弹性常数，包括包括长度(x)和宽度(y)两个强度方向的面外弹性模量(Ex、Ey)以及面内剪切模量(Gxy)。如果采用标准静力测试方法测试得到上述三个弹性参数，两个方向的弹性模量的确定则需要参考《GB/T 50329木结构试验方法标准》进行，需要在板材上截取305mm宽的木梁若干用于四点抗弯试验，但是部分结构用木质板材的宽度不足3米，无法截取满足标准要求的试件长度用于测试；另一方面，目前还没有针对该类木质板材面内剪切模量的标准静力测试方法，相关研究(Brandner R.,Dietsch P.,Droescher J.,Schulte-Wrede M.,&Sieder M.Shear properties of cross laminated timber diaphragms:verificationof a test configuration and parameter study.Bautechnik:92(11),759-769,2015.和Andreolli M.,Rigamonti M.,Tomasi,R.Diagonal compression test on crosslaminated timber panels.Proceedings of the 13th World Conference on TimberEngineering,Quebec City,Canada,2014.)提出了用于正交胶合木面内弹性模量测试的压缩测试方法，但两种方法均需要从板材上截取1.5米长、1米宽的长方形板件或1米宽的方板用于测试，并且两种测试方法都存在无法获取纯剪切区域的问题。同时，无论上述哪种测试方法，都破坏了板材的整体性，降低了其价值，无法满足对木质板材进行结构设计和质量控制的要求。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种木质板材弹性常数的同步测试方法，能够无损地同时测试木质板材的面外弹性模量(Ex、Ey)以及面内剪切模量(Gxy)。
本发明的技术方案是：
一种木质板材弹性常数的同步测试方法，弹性常数的同步测试方法，所述弹性常数指长度x和宽度y两个强度方向的面外弹性模量Ex、Ey以及面内剪切模量Gxy，其特征在于，使用力锤敲击试件，激励待测板材产生横向自由振动，采集激励源的振动加速度信号形成频谱图，从采集的频谱图中识别出待测板材的长度方向第一弯曲模态自然频率f20、第一扭转模态自然频率f21和宽度方向第一弯曲自然频率的自然频率f22，进行迭代运算，目标方程为∑|(f测试频率-f计算频率)/f测试频率|＜(0.01～0.03)，Ex初始值基于f20计算得到，Ey和Gxy初始值视材料类别分别取Ex的0.03～1倍和0.02～0.5倍，泊松比为0.02～0.45；对于每个自然频率，如其测试频率与计算频率的差值与测试频率的百分比绝对值大于0.1％，相对应的弹性常数增加或减小0.01～1％，直至满足目标方程后停止，此时得到的三个弹性常数Ex、Ey、Gxy即为所述木质板材的三个弹性常数。其中，第一弯曲模态自然频率、第一扭转模态自然频率和第一弯曲自然频率的自然频率等概念均取自于模态分析中的相关概念。
本发明还可以进一步考虑两个或三个弹性常数对同一自然频率的敏感度。如存在两个或更多弹性常数对同一自然频率的敏感度是其中一个弹性常数的敏感程度的30％以上，则考虑两个或更多弹性常数对同一自然频率的耦合作用，并在迭代程序计算过程中对于两个或更多的弹性常数在同一迭代循环中同时做出相应的增减。
进一步的，包括以下步骤：
步骤一：将两木梁放置在光滑且水平的地面，调整木梁间距至比待测板材长度短4-10cm，将表面砂光的待测板材长度方向的两端平行放置在木梁上，放置前对待测板材进行称重，并记录重量m；
步骤二：测量板材的长度a、宽度b和厚度h；
步骤三：依次标记三个力锤激励点I1、I2、I3，其中I2为待测板材的中心位置，I1相对于I2的平面直角坐标为(a/4，-b/2)，I3相对于I2的平面直角坐标为(-a/4，b/2)，在相对于I2的平面直角坐标(-a/12，-b/2)处布置加速度传感器，采用力锤依次分别在I1、I2、I3位置敲击三次，采用动态信号分析仪采集板材振动信号并平均处理，存储每个激励点得到频谱图；
步骤四，综合I1、I2、I3激励点得到的频谱图，利用频谱图虚部特征识别出长度方向第一弯曲模态自然频率、第一扭转模态自然频率和宽度方向第一弯曲自然频率，并记录f20、f21、f22。
步骤五，输入长度a、宽度b、厚度h、质量m和自然频率(f20、f21、f22)至计算机，通过迭代运算，即可同步输出所述木质板材的三个弹性常数Ex、Ey、Gxy。
进一步的，长度a、宽度b和厚度h均为在待测板材上随机选取三处测试数据的平均值。
进一步的，自然频率至少精确到0.01Hz。
进一步的，力锤敲击的有效频率大于宽度方向第一弯曲频率的两倍。
进一步的，板材的长度、宽度至少精确到1mm，厚度至少精确到0.1mm，质量至少精确到1g。
进一步的，采用的测试装置如下：测试装置由两根用于在长度方向两端支撑待测板材的连续实体木梁、用于采集振动加速度信号的加速度传感器、用于激励待测板材的力锤、用于采集并记录加速度传感器和力锤的时域信号的动态信号分析仪和计算机组成，所述加速度传感器和所述力锤通过线材与所述动态信号分析仪连接，所述动态信号分析仪和所述计算机通讯连接。木梁是测试装置基础部分，在长度方向两端为待测板材提供支撑，由于木质板材幅面大且质量大，待测木板与支撑能够形成一个稳定的结构，两端支撑可视为简支边界条件；力锤用于激励待测板材，并产生横向自由振动；加速度传感器用于采集振动加速度信号；动态信号分析仪用于采集并记录加速度传感器和力锤的时域信号，加速度传感器和力锤通过线材与连接；计算机配有模态分析软件和弹性参数算法，用于分析动态信号分析仪采集到的时域信号，并进行傅里叶变换等一系列模态分析步骤，显示待测板材自然频率频谱图(实部和虚部)等信息，可存储分析得到的结果，动态信号分析仪和计算机通过数据线连接。
进一步的，上述计算机配有模态分析软件和弹性参数计算软件。计算机中模态分析软件为与动态信号分析仪相配套的商业软件，弹性参数计算软件可基于任何计算机程序语言编写。
进一步的，木梁具有水平且光滑的上下表面，能够与待测板材组成稳定的系统。
本发明具有以下有益的技术效果：本发明基于一种模态测试，具备快速可靠和无损的特点，可用于实验室和工厂测试木质板材弹性常数,用于结构设计和产品的质量控制；免去了从木质板材上锯切不同方向和大小试件用于静力测试的繁杂过程，操作简单，测试方便；测试直接在整块板材上进行，测试数据反映板材整体性能，而非传统静力方法所得到的局部性能，测试结果更接近实际使用情况。
【附图说明】
图1是本发明的测试装置俯视图；
图2是本发明的测试装置正视图；
图3是本发明的测试方法流程图。
标记说明：1，待测板材；2，木梁；3，加速度传感器；4，力锤；5，动态信号分析仪；6，计算机。a,板材长度；b，板材宽度；h，板材厚度；d，木梁高度；w，木梁宽度；s，板与木梁支撑接触宽度；t，传感器距板长度方向中线距离，a/12；I1，I2，I3为力锤激励点；l为I1和I3距板长度方向中线距离，a/4。
【具体实施方式】
以下结合具体实施例，对本发明做进一步描述。
本发明是一种基于模态测试的木质板材弹性常数同步测试方法，如图1和图2所示。弹性常数计算程序，如图3所示，基于Matlab编制而成。以下所提供的实施例并非用以限制本发明所涵盖的范围，所描述的步骤也不是用以限制其执行顺序。本领域技术人员结合现有公知常识对本发明做显而易见的改进，亦落入本发明要求的保护范围之内。
实施例一
待测板材1为正交胶合木，采用铁杉锯材生产而成，组坯方式为35mm/35mm/35mm，含水率为20％。
上述待测板材1的弹性常数的同步测试方法如下：
1)利用磅秤对待测板材1进行称重，称得重量m为340.038kg；
2)将两木梁2放置在光滑且水平的地面，调整好木梁2间距，然后使用叉车将表面砂光的待测板材1长度方向两端平行放置在木梁2上；
3)利用卷尺等测量待测板材1的长度a、宽度b和厚度h，在待测板材上随机选取三处测试各项数据，取各自平均值记录，5300mm(a)×1247mm(b)×105mm(h)；
4)按照图1确定加速度传感器3位置和力锤4激励位置处，并做标记，然后布置加速度传感器3，采用力锤4分别激励三个指定激励位置I1、I2、I3，每个位置敲击三次，采用动态信号分析仪5采集待测板材1振动信号并平均处理，存储每个激励点得到频谱图信息；
5)综合三处激励点得到的频谱图信息，利用频谱图虚部特征识别出特定模态的自然频率，记录指定自然频率，f20＝7.875Hz、f21＝15.125Hz、f22＝67.187Hz；
6)将长度a、宽度b、厚度h、质量m和自然频率f20、f21、f22输入至所开发的弹性常数计算软件中运行，即可同步输出所述正交胶合木的弹性常数，得到Ex＝10167MPa、Ey＝383MPa、Gxy＝320MPa，至此一次测试结束。
实施例二
待测板材1为正交胶合木，采用加拿大云杉锯材生产而成，组坯方式为35mm/35mm/35mm/35mm/35mm，含水率为12％。
上述待测板材1的弹性常数的同步测试方法如下：
1)利用吊秤对待测板材1进行称重，称得重量m为4016.683kg；
2)将两木梁2放置在光滑且水平的地面，调整好木梁2间距，然后使用叉车将表面砂光的待测板材1长度方向两端平行放置在木梁2上；
3)利用卷尺等测量待测板材1的长度a、宽度b和厚度h，在待测板材1上随机选取三处测试各项数据，取各自平均值记录，17700mm(a)×2470mm(b)×175mm(h)；
4)按照图1确定加速度传感器3位置和力锤4激励位置处，并做标记，然后布置加速度传感器3，采用力锤4分别激励三个指定激励位置I1、I2、I3，每个位置敲击三次，采用动态信号分析仪5采集待测板材1振动信号并平均处理，存储每个激励点得到频谱图信息；
5)综合三处激励点得到的频率谱图信息，利用频谱图虚部特征识别出特定模态的自然频率，记录指定自然频率，f20＝1.099Hz、f21＝4.211Hz、f22＝62.261Hz；
6)将长度a、宽度b、厚度h、质量m和自然频率f20、f21、f22输入至所开发的弹性常数计算软件中运行，即可同步输出所述正交胶合木的弹性常数，得到Ex＝9618MPa、Ey＝2176MPa、Gxy＝532MPa，至此一次测试结束。

Claims (9)

1.一种木质板材弹性常数的同步测试方法，所述弹性常数指长度x和宽度y两个强度方向的面外弹性模量Ex、Ey以及面内剪切模量Gxy，其特征在于，使用力锤敲击试件，激励待测板材产生横向自由振动，采集激励源的振动加速度信号形成频谱图，从采集的频谱图中识别出待测板材的长度方向第一弯曲模态自然频率f20、第一扭转模态自然频率f21和宽度方向第一弯曲自然频率的自然频率f22，进行迭代运算，目标方程为∑|(f测试频率-f计算频率)/f测试频率|＜(0.01～0.03)，Ex初始值基于f20计算得到，Ey和Gxy初始值视材料类别分别取Ex的0.03～1倍和0.02～0.5倍，泊松比为0.02～0.45；对于每个自然频率，如其测试频率与计算频率的差值与测试频率的百分比绝对值大于0.1％，相对应的弹性常数增加或减小0.01％～1％，直至满足目标方程后停止，此时得到的三个弹性常数Ex、Ey、Gxy即为所述木质板材的三个弹性常数。
2.根据权利要求1所述的木质板材弹性常数的同步测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将两木梁放置在光滑且水平的地面，调整木梁间距至比待测板材长度短4～10cm，将表面砂光的待测板材长度方向的两端平行放置在木梁上，放置前对待测板材进行称重，并记录重量m；
步骤二：测量板材的长度a、宽度b和厚度h；
步骤三：依次标记三个力锤激励点I1、I2、I3，其中I2为待测板材的中心位置，I1相对于I2的平面直角坐标为(a/4，-b/2)，I3相对于I2的平面直角坐标为(-a/4，b/2)，在相对于I2的平面直角坐标(-a/12，-b/2)处布置加速度传感器，采用力锤依次分别在I1、I2、I3位置敲击三次，采用动态信号分析仪采集板材振动信号并平均处理，存储每个激励点得到频谱图；
步骤四，综合I1、I2、I3激励点得到的频谱图，利用频谱图虚部特征识别出长度方向第一弯曲模态自然频率f20、第一扭转模态自然频率f21和宽度方向第一弯曲自然频率f22；
步骤五，输入长度a、宽度b、厚度h、质量m和自然频率f20、f21、f22至计算机，通过迭代运算，即可同步输出所述木质板材的三个弹性常数Ex、Ey、Gxy。
3.根据权利要求2所述的木质板材弹性常数的同步测试方法，其特征在于，所述长度a、宽度b和厚度h均为在待测板材上随机选取三处测试数据的平均值。
4.根据权利要求2所述的木质板材弹性常数的同步测试方法，其特征在于，所述自然频率至少精确到0.01Hz。
5.根据权利要求2所述的木质板材弹性常数的同步测试方法，其特征在于，所述力锤敲击的有效频率大于宽度方向第一弯曲频率的两倍。
6.根据权利要求2所述的木质板材弹性常数的同步测试方法，其特征在于，所述板材的长度、宽度至少精确到1mm，厚度至少精确到0.1mm，质量至少精确到1g。
7.根据权利要求1所述的木质板材弹性常数的同步测试方法，其特征在于，采用装置如下：测试装置由两根用于在长度方向两端支撑待测板材的连续实体木梁(2)、用于采集振动加速度信号的加速度传感器(3)、用于激励待测板材的力锤(4)、用于采集并记录加速度传感器(3)和力锤(4)的时域信号的动态信号分析仪(5)和计算机(6)组成，所述加速度传感器(3)和所述力锤(4)通过线材与所述动态信号分析仪(5)连接，所述动态信号分析仪(5)和所述计算机(6)通讯连接。
8.根据权利要求7所述的木质板材弹性常数的同步测试方法，其特征在于，所述计算机(6)配有模态分析软件和弹性参数计算软件。
9.根据权利要求7所述的木质板材弹性常数的同步测试方法，其特征在于，所述木梁(2)具有水平且光滑的上下表面。
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Denomination of invention: A synchronous test method for elastic constant of wood plate

Effective date of registration: 20211108

Granted publication date: 20190402

Pledgee: China Construction Bank Corporation Ninghai sub branch

Pledgor: Ningbo Zhongjia low carbon New Technology Research Institute Co., Ltd

Registration number: Y2021330002165

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