CN109682694A - 方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种方法简单，操作简便，测试结果准确的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法。在正方形木板的相对的两个角点A、C下方各设置一立柱支撑木板；在另外的相对两个角点B、D中的一个角点上施加竖直向下的力P，另一个角点上方设置抵住木板的压杆；在木板上、下板面中心沿木板对角线AC方向各粘贴一枚正、负45度应变片，将两枚正45度和负45度应变片以半桥或全桥接法接入应变仪，采用一角加载，使得方板双向扭转，测得方板在载荷增量下的对角线方向上的应变增量,进而得到木材的剪切模量。
Description
技术领域
本发明涉及木质材剪切模量的测试方法
背景技术
传统静态测试材料剪切模量的试验,采用的是圆形截面试件,通过扭转试验机给试件施加一对大小相等转向相反的外加力偶矩,这对外加力偶矩在数值上等于试件在发生扭转变形时的圆截面上扭矩。使用扭角仪同步测定杆件两个截面上的相对扭转角,根据扭矩和单位相对扭转角关系以及圆形截面的极惯性矩可推算出试件材料的剪切模量。这种传统的测试剪切模量方法,也是一种从定义出发测试材料常数的经典方法。
但是对于木质板材，不同于圆形截面试件，而且由于木质材料各向异性，如何简单准确地测试出木质板材的剪切模量难于解决。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法简单，操作简便，测试结果准确的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法。
本发明所述的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，是在正方形木板的相对的两个角点A、C下方各设置一立柱支撑木板；在另外的相对两个角点B、D中的一个角点上施加竖直向下的力P，另一个角点上方设置抵住木板的压杆；
在木板上、下板面中心沿木板对角线AC方向各粘贴一枚正45度应变片，在木板上、下板面中心沿木板对角线BD方向各粘贴一枚负45度应变片；将两枚正45度应变片、两枚负45度应变片均以半桥接法接入应变仪，
改变力P大小时，若载荷增量为ΔP，以应变仪同时或先后测得两枚正45度应变片的应变增量Δε+45°、两枚负45度应变片的应变增量Δε-45°，以下式计算剪切模量：
其中:G－剪切模量,MPa；ΔP－载荷增量,N；h－方板厚度mm；Δε-45°－上下板面-45°应变片半桥接法应变增量,με；Δε+45°－上下板面+45°应变片半桥接法应变增量,με。
本发明同时提出了与上述方法属于同一构思的另外一种方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法。
该方法是在正方形木板的相对的两个角点A、C下方各设置一立柱支撑木板；在另外的相对两个角点B、D中的一个角点上施加竖直向下的力P，另一个角点上方设置抵住木板的压杆；
在木板上、下板面中心沿木板对角线AC方向各粘贴一枚正45度应变片，在木板上、下板面中心沿木板对角线BD方向各粘贴一枚负45度应变片；将两枚正45度应变片、两枚负45度应变片以全桥接法接入应变仪，
改变力P大小时，若载荷增量为ΔP，以应变仪测得四枚应变片全桥接法应变增量Δε，以下式计算剪切模量：
其中:G－剪切模量,MPa；ΔP－载荷增量,N；h－方板厚度mm；Δε－±45°应变片全桥接法应变增量,με。
上述的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，载荷增量要使得以应变增量不小于50με。
上述的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，对正方形木板施加竖直向下力P的方法是，在要施加力P的角点处钻拉杆孔后，以拉杆穿过拉杆孔后向下延伸，并在拉杆下端悬挂砝码；拉杆的轴线与木板对角线垂直相交；两个立柱与木板的接触点、压杆与木板的接触点、拉杆的轴线与木板对角线垂直相交点组成一个正方形。
上述的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，正方形木板边长65mm-140mm。
上述的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，应变片的应变栅长10mm或20mm。
本发明的有益效果：
采用本方法对正方形木板(方板)的一角点施加力P时，方板四角点相邻角点受大小相等方向相反的力P，如图1所示。图2为受力的方板所承受的等效力系(双向扭转)示意图。
根据纯剪切应变分析和承受扭转的方板受力分析及其等效扭矩分析,应用剪切胡克定律以及纯剪切的剪应变和线应变关系可导出板材剪切模量和±45°方向线应变的关系为：
对于各向同性材料,剪切模量G推算式为
对于各向异性材料,剪切模量G推算式为
式中:G－剪切模量,MPa；ΔP－载荷增量,N；h－方板厚度mm；Δε-45°－上下板面-45°应变片半桥接法应变增量,με；Δε+45°－上下板面+45°应变片半桥接法应变增量,με。
若采用全桥接法，剪切模量：
其中:Δε－±45°应变片全桥接法应变增量,με。
本方法以方板，采用一角加载，使得方板双向扭转，测得方板在载荷增量下的对角线方向上的应变增量,进而得到木材的剪切模量。砝码加载是一种可行、简单和稳定的加载方式,易于实现,得到的数据可靠,测试数据重复性好,适合于中小型试验室使用和推广。
附图发明
图1是方板四角点受集中力P的受力图；
图2是方板静态扭转的等效力系(双向扭转)示意图；
图3是方板上、下板面粘贴±45°方向应变片示意图；
图4是上、下板面±45°应变片半桥接法示意图；
图5是上、下板面±45°应变片全桥接法示意图；
图6是方板静态扭转应变法测试木(质)材剪切模量的试验框图；
具体实施方式
1.测试原理
方板四角点相邻角点受大小相等方向相反的集中力P，如图1所示。图2为受力的方板所承受的等效力系(双向扭转)示意图。
根据纯剪切应变分析和承受扭转的方板受力分析及其等效扭矩分析,应用剪切胡克定律以及纯剪切的剪应变和线应变关系可导出板材剪切模量和±45°方向线应变的关系为：
对于各向同性材料,剪切模量G推算式为
对于各向异性材料,剪切模量G推算式为
式中:G－剪切模量,MPa；ΔP－载荷增量,N；h－方板厚度mm；Δε+45°－+45°方向应变增量,
με；Δε-45°－-45°方向应变增量,με。
2.方板双向扭转加载试验台
方板双向扭转试验台包括拉杆、压杆、立柱等，可用于四种方板尺寸:边长a分别为65mm、90mm、115mm、140mm的方板,砝码加载。
对于上述四种尺寸的方板,将方板试件沿其对角线画线,取一根对角线,从方板一角沿对角线量8mm的点作为圆孔中心,用φ5.5钻头打拉杆孔,拉杆穿过拉杆孔并与拉杆孔固定，拉杆下端作为挂砝码的加载点。拉杆轴线与方板上板面(或下板面)上的方板对角线的垂直相交点B(可以看作是方板的角点B)就是加载点。在方板上与角点B相对的方板一角的内侧上方设置抵住木板的压杆，压杆与木板的接触点D(可以看作是方板的角点D)位于方板上板面的方板对角线上。在方板相对另外两个角的内侧下方各设置一立柱支撑木板；两个立柱与木板的接触点A、C(可以看作是方板的角点A、C)位于方板下板面的方板对角线上。
从受力来看，点B是加载点，点A、C、D为承载点,加载点与三个承载点构成一个新的正方形(参见图1)。
3.±45°应变片粘贴方案；
参见图3，在木板上、下板面中心沿木板对角线AC方向各粘贴一枚正45度应变片，在木板上、下板面中心沿木板对角线BD方向各粘贴一枚负45度应变片。应变片应变栅长10mm或20mm。
4.方板上、下板面±45°应变片半桥接法和全桥接法
4.1半桥接法。参见图4，上下板面+45°应变片半桥接法,即上板面+45°应变片接桥盒1、2，下板面+45°应变片接桥盒2、3,占用应变仪一个通道；上下板面-45°应变片半桥接法,即上板面-45°应变片接桥盒1＇、2＇,下板面-45°应变片接桥盒2＇、3＇,占用应变仪另一个通道。加载时，两个通道同时分别测出Δε+45°、Δε-45°，根据式(1)推算剪切模量。图4中的R3、R4是桥盒的内置电阻。
4.2全桥接法。上板面－45°片接桥盒1，2；上板面+45°片接桥盒2，3；下板面－45°片接桥盒1，4；下板面+45°片接桥盒3，4(图5),上下板面±45°方向的四枚应变片占用应变仪一个通道测量。根据上下板面±45°方向应变片全桥接法的应变差值Δε以式(2)推算剪切模量。
5.测试系统
测试系统由方板扭转试验加载台,应变仪,采集箱,数据采集软件和计算机组成(图6)。
参数设置:采样频率2560Hz,数据块4块电压范围1250mV,工程单位με,校正因子2倍的应变片灵敏系数；应变仪滤波频率10Hz。
一块方板试件,测量三次,在每次试验时,调应变仪所用通道平衡后,加初载荷,采集,存盘；一级加载,采集,存盘；二级加载,采集,存盘。取后二次试验的增量应变的平均值推算剪切模量。加载增量以应变增量不小于50με或100με设计。
6.剪切模量推算公式
6.1半桥接法剪切模量推算公式
其中:G－剪切模量,MPa；ΔP－载荷增量,N；h－方板厚度mm；Δε-45°－上下板面-45°应变片半桥接法应变增量,με；Δε+45°－上下板面+45°应变片半桥接法应变增量,με
6.2全桥接法剪切模量推算公式
其中:G－剪切模量,MPa；ΔP－载荷增量,N；h－方板厚度mm；Δε－±45°应变片全桥接法应变增量,με。
7测试实例及分析
7.1方板试件气干含水率
中密度纤维板(MDF)气干含水率9％；定向刨花板(OSB)气干含水率10％；单板层积材(LVL)气干含水率10％；樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica Litv.)弦向气干含水率10％；SPF弦向气干含水率8％；红雪松(Red Cedar)弦向气干含水率12.5％；西加云杉(Sitka spruce)径向气干含水率12％。
7.2 MDF、LVL和OSB木基结构板剪切模量测试结果
表1 MDF、LVL和OSB木基结构板剪切模量测试值一览表
表1中:对于OSB木基结构板,+45°方向应变测的剪切模量比-45°方向应变测的剪切模量大19.3％；
7.3樟子松弦向剪切模量测试结果
表2樟子松弦向剪切模量测试值一览表
表2中，-45°应变测量值推算的樟子松弦向G比+45°应变测量值推算的樟子松弦向G大12.8％。
7.4 SPF弦面静态剪切模量测试结果
表3 SPF弦面静态剪切模量测试值一览表(92mm×92mm方板,载荷增量ΔP＝0.833N)
表3中，-45°应变测量值推算的SPF弦向G比+45°应变测量值推算的SPF弦向G大8.3％。
7.5红雪松方板测试的剪切模量结果
表4红雪松方板测试的剪切模量值一览表
表4中，-45°应变测量值推算的红雪松G比+45°应变测量值推算的红雪松G小5.9％。
7.6西加云杉径向方板测试的剪切模量结果
表5西加云杉径向方板测试的剪切模量值一览表
表5中,-45°应变测量值推算的西加云杉径向G比+45°应变测量值推算的西加云杉径向G仅大0.97％。
木材纹理结构和走向的复杂性和随机性,导致-45°方向和+45°方向应变值的变化。总体情况,弦向方板两个方向应变测量值的差异大于径向方板的两个方向的应变测量值。例如樟子松弦向方板沿-45°方向应变测量值比沿+45°方向应变测量值大12.8％,而西加云杉径向方板沿-45°方向应变测量值比沿+45°方向应变测量值仅大0.97％
对于OSB木基结构板,其+45°方向应变测的剪切模量比-45°方向应变测的剪切模量大19.3％。
综上所述,仅用一个方向(+45°或-45°方向)的应变,推算的剪切模量测试值相差较大。显然说明+45°和-45°两个方向的应变测量值,对推算木质和木材的剪切模量是必要的。
对于工程上常使用木基结构板材,例如中密度纤维板(MDF),定向刨花板(OSB),单板层积材(LVL)等以及木材,采用方板扭转加载试验台直接测试其剪切模量具有实际应用价值。试验台制造简单,砝码加载简便(实质上构成一台实现方板双向扭转的柔性试验机),测试数据重复性好,适合于中小型试验室使用和推广。一方面，对于木基结构板材和木材的剪切模量一般在2000MPa以内,故砝码是一种可行、简单和稳定的加载方式,易于实现,得到的数据可靠。
Claims (6)
1.方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，其特征是：在正方形木板的相对的两个角点A、C下方各设置一立柱支撑木板；在另外的相对两个角点B、D中的一个角点上施加竖直向下的力P，另一个角点上方设置抵住木板的压杆；
在木板上、下板面中心沿木板对角线AC方向各粘贴一枚正45度应变片，在木板上、下板面中心沿木板对角线BD方向各粘贴一枚负45度应变片；将两枚正45度应变片、两枚负45度应变片均以半桥接法接入应变仪，
改变力P大小时，若载荷增量为ΔP，以应变仪同时或者先后测得两枚正45度应变片的应变增量Δε+45°、两枚负45度应变片的应变增量Δε-45°，以下式计算剪切模量：
其中:G－剪切模量,MPa；ΔP－载荷增量,N；h－方板厚度mm；Δε-45°－上下板面-45°应变片半桥接法应变增量,με；Δε+45°－上下板面+45°应变片半桥接法应变增量,με。
2.方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，其特征是：在正方形木板的相对的两个角点A、C下方各设置一立柱支撑木板；在另外的相对两个角点B、D中的一个角点上施加竖直向下的力P，另一个角点上方设置抵住木板的压杆；
在木板上、下板面中心沿木板对角线AC方向各粘贴一枚正45度应变片，在木板上、下板面中心沿木板对角线BD方向各粘贴一枚负45度应变片；将两枚正45度应变片、两枚负45度应变片以全桥接法接入应变仪，
改变力P大小时，若载荷增量为ΔP，以应变仪测得四枚应变片全桥接法应变增量Δε，以下式计算剪切模量：
其中:G－剪切模量,MPa；ΔP－载荷增量,N；h－方板厚度mm；Δε－±45°应变片全桥接法应变增量,με。
3.如权利要求1或2所述的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，其特征是：载荷增量要使得以应变增量不小于50με。
4.如权利要求1或2所述的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，其特征是：对正方形木板施加竖直向下力P的方法是，在要施加力P的角点处钻拉杆孔后，以拉杆穿过拉杆孔后向下延伸，并在拉杆下端悬挂砝码；拉杆的轴线与木板对角线垂直相交；两个立柱与木板的接触点、压杆与木板的接触点、拉杆的轴线与木板对角线垂直相交点组成一个正方形。
5.如权利要求1或2所述的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，其特征是：正方形木板边长65mm-140mm。
6.如权利要求1或2所述的方板静态扭转应变法测试木材剪切模量的方法，其特征是：应变片的应变栅长10mm或20mm。
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