沙柳材彈性常數(shù)的測定

李國良，劉志剛，孫玉康

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

1 沙柳材彈性常數(shù)和電測法的概述

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，將木材簡化成一個正交柱面對稱性物體。

1.2 電測法的概述

隨著測試技術(shù)的逐步成熟，測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、電測法等。其中，電測法操作簡單且結(jié)果精確可靠，因而電測法成為測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試方法。

電測法測試范圍大[1]，靈敏度和精度高，本文是在萬能力學(xué)試驗機和無線應(yīng)變節(jié)點的配合下，通過電測法來測定沙柳材的彈性常數(shù)，操作簡單，頻率響應(yīng)好，能夠準確地測定隨著載荷的加載，任意時刻沙柳材的應(yīng)變。

2 電測法主要儀器設(shè)備

電測法主要試驗儀器：SG404 無線應(yīng)變節(jié)點、萬能試驗機、應(yīng)變片、502 膠。

SG404 無線應(yīng)變節(jié)點是一種基于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，因此無線應(yīng)變節(jié)點逐漸代替了電阻應(yīng)變儀。

3 試驗材料與試樣

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)蒙古的周邊進行采集。在采集的過程中選擇樹干圓滿并且沒有缺陷的沙柳材作為試驗的材料，經(jīng)測量，沙柳材直徑為30～40mm，樹高2～3m，樹齡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的沙生灌木，試件尺寸無法做得太大，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×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、小型機床、MB120型臺式木工鋸刨兩用機床，首先用MB120 型臺式木工鋸刨兩用機床進行鋸切，然后再利用小型機床進行粗加工，再用PPCNC 進行精加工，最后再用砂紙進行拋光達到所要的加工精度。

4 試驗方案的擬定

用萬能試驗機對軸向、弦向、徑向、45°進行加載，加載到所需力時，讓萬能試驗機保壓60 秒，待無線應(yīng)變節(jié)點穩(wěn)定后，記錄下相應(yīng)的應(yīng)變，試驗重復(fù)5 次，并選取有效的實驗數(shù)據(jù)進行分析。

表1 沙柳材的彈性常數(shù)

5 試驗結(jié)果及合理性檢驗

5.1 試驗結(jié)果

按照上述的實驗要求及操作，并對所得的試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到了沙柳材的彈性常數(shù)，如表1 所示。

5.2 試驗結(jié)果合理性的檢驗

從表1 可以得出，EL＞ER＞ET，說明沙柳材軸向、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，所得到各個彈性常數(shù)的結(jié)果是正確的。

6 結(jié)論

本文利用萬能力學(xué)試驗機與無線應(yīng)變節(jié)點相結(jié)合，采用電測法對沙柳材的彈性常數(shù)進行試驗的測定，由于沙柳屬于小徑極的沙生灌木，試件太大難以做到，同時考慮到，為了正確測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，因此通過電測法測得沙柳材的彈性常數(shù)，不僅操作簡單，而且試驗結(jié)果可靠。