沙柳材彈性常數(shù)的測(cè)定

李國(guó)良，劉志剛，孫玉康

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，呼和浩特010000）

1 沙柳材彈性常數(shù)和電測(cè)法的概述

1.1 彈性常數(shù)的概述

木材是一種高度的非線性材料，每個(gè)方向材料的力學(xué)特性是不同的，這是由木材的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)決定的，其木材的基本物理力學(xué)特性取決于作用力與木材的纖維方向，為了便于木材物理力學(xué)特性的研究，將木材簡(jiǎn)化成一個(gè)正交柱面對(duì)稱性物體。

1.2 電測(cè)法的概述

隨著測(cè)試技術(shù)的逐步成熟，測(cè)定沙柳材等正交各向異性材料的各種彈性常數(shù)的方法也出現(xiàn)了很多新的方法，如超聲波法、電測(cè)法等。其中，電測(cè)法操作簡(jiǎn)單且結(jié)果精確可靠，因而電測(cè)法成為測(cè)量沙柳材等正交各向異性材料各種彈性模量的最常用的測(cè)試方法。

電測(cè)法測(cè)試范圍大[1]，靈敏度和精度高，本文是在萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)的配合下，通過(guò)電測(cè)法來(lái)測(cè)定沙柳材的彈性常數(shù)，操作簡(jiǎn)單，頻率響應(yīng)好，能夠準(zhǔn)確地測(cè)定隨著載荷的加載，任意時(shí)刻沙柳材的應(yīng)變。

2 電測(cè)法主要儀器設(shè)備

電測(cè)法主要試驗(yàn)儀器：SG404 無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、應(yīng)變片、502 膠。

SG404 無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)是一種基于802.15.4 協(xié)議的新型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)靈敏，還可以根據(jù)自己選擇組成不同的橋路，因此無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)逐漸代替了電阻應(yīng)變儀。

3 試驗(yàn)材料與試樣

3.1 沙柳材的采集

參照GB/T 1927—2009《木材物理力學(xué)試材采集方法》在內(nèi)蒙古的周邊進(jìn)行采集。在采集的過(guò)程中選擇樹(shù)干圓滿并且沒(méi)有缺陷的沙柳材作為試驗(yàn)的材料，經(jīng)測(cè)量，沙柳材直徑為30～40mm，樹(shù)高2～3m，樹(shù)齡4～5年。

3.2 沙柳材試樣的確定

根據(jù)LY/T 2369—2014《沙生灌木物理力學(xué)性能測(cè)試方法》[2]和GB/T 1929—2009《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》[3]，并且考慮到沙柳屬于小徑級(jí)的沙生灌木，試件尺寸無(wú)法做得太大，綜合考慮上述因素，將沙柳試件尺寸做了一些調(diào)整，并將沙柳試件尺寸確定為15mm×15mm×20mm（長(zhǎng)×寬×高），試樣包括軸向、弦向、徑向、45°四種試件。

試件制作所用的主要儀器有PPCNC、小型機(jī)床、MB120型臺(tái)式木工鋸刨兩用機(jī)床，首先用MB120 型臺(tái)式木工鋸刨兩用機(jī)床進(jìn)行鋸切，然后再利用小型機(jī)床進(jìn)行粗加工，再用PPCNC 進(jìn)行精加工，最后再用砂紙進(jìn)行拋光達(dá)到所要的加工精度。

4 試驗(yàn)方案的擬定

用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)軸向、弦向、徑向、45°進(jìn)行加載，加載到所需力時(shí)，讓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)保壓60 秒，待無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定后，記錄下相應(yīng)的應(yīng)變，試驗(yàn)重復(fù)5 次，并選取有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

表1 沙柳材的彈性常數(shù)

5 試驗(yàn)結(jié)果及合理性檢驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述的實(shí)驗(yàn)要求及操作，并對(duì)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了沙柳材的彈性常數(shù)，如表1 所示。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果合理性的檢驗(yàn)

從表1 可以得出，EL＞ER＞ET，說(shuō)明沙柳材軸向、弦向、徑向呈現(xiàn)出高度的各向異性，泊松比均小于1 且uLR＞uRL＞uTR，根據(jù)復(fù)合材料相關(guān)理論，對(duì)于正交異性材料，彈性常數(shù)應(yīng)該滿足一定的比例關(guān)系，即滿足麥克斯韋定理（（i，j=L，R,T，但i≠j）），同時(shí)滿足工程彈性常數(shù)的限制條件，即（i，j=L、R、T），將所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入麥克斯韋定理以及工程彈性常數(shù)的限制條件可知，所得到各個(gè)彈性常數(shù)的結(jié)果是正確的。

6 結(jié)論

本文利用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)與無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)相結(jié)合，采用電測(cè)法對(duì)沙柳材的彈性常數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)的測(cè)定，由于沙柳屬于小徑極的沙生灌木，試件太大難以做到，同時(shí)考慮到，為了正確測(cè)量沙柳材的彈性常數(shù)，沙柳試樣尺寸至少要大于沙柳管壁細(xì)胞直徑的10 倍，因此將試件尺寸確定為15mm×15mm×20mm 是合理的，同時(shí)所得到的沙柳材的彈性常數(shù)滿足麥克斯韋定理，因此通過(guò)電測(cè)法測(cè)得沙柳材的彈性常數(shù)，不僅操作簡(jiǎn)單，而且試驗(yàn)結(jié)果可靠。