基于悬臂板扭转模态测试材料剪切模量

【目的】探讨基于悬臂板扭转模态测试正交各向异性材料(木材)和各向同性材料剪切模量的原理和方法。【方法】首先根据ANSYS计算的悬臂板一阶扭转振形,应用优化原理分别得到垂直和平行于板中面位移w和u的一阶扭转振形函数,然后借助能量法导出悬臂板一阶扭转频率与板材弹性模量和剪切模量的关系式,该式中的2个振形系数通过与动能、扭转应变能和拉压应变能相关积分计算,从振形系数计算值的二元线性回归得到振形系数依赖于悬臂板宽长比和厚宽比的相关式。【结果】导出的悬臂板一阶扭转频率与板材弹性模量和剪切模量的关系式,只有在测出悬臂板一阶弯曲频率得到弹性模量后,才能应用这个关系式由悬臂板一阶扭转频率推算出剪切模量。【结论】导出了悬臂板一阶扭转频率与弹性模量和剪切模量之间的关系式,其中振形系数依赖于悬臂板宽长比和厚宽比。该关系式动态测试剪切模量的正确性不仅得到低碳钢、轧制铝、桃花心木、白蜡木和轻木剪切模量仿真计算的验证,还得到低碳钢、西加云杉(径切面和横切面)、蒙古栎(顺纹)和油松(弦切面和径切面)等材料剪切模量的动态和静态试验的验证,且基于悬臂板一阶扭转模态与自由板扭转振形法测试木材或各向同性材料的剪切模量相当吻合。基于悬臂板一阶扭转模态提供了一个应用悬臂板频谱动态测试剪切模量的简便和快速的方法,该方法不仅适用于测试木材的3个主向剪切模量GLT、GLR和GRT,还适用于测试各向同性材料的剪切模量。     

Timoshenko自由梁迭代法计算木材弹性模量和剪切模量的适用性

【目的】基于试验探究Timoshenko自由梁迭代法计算木材弹性模量和剪切模量的适用性,重点考虑木材弹性模量和剪切模量的测试精度,寻求梁试件合适的长厚比。【方法】通过山毛榉、云杉-松-冷杉(SPF)和单板层积材(LVL)试件截短试验,动态测试不同长厚比试件的频谱,从频谱图上读出自由梁的第一阶和第二阶弯曲频率;应用迭代程序计算木材和木质复合材料的弹性模量和剪切模量;采用自由杆件扭转振动法和自由板扭转振型法验证自由梁迭代法计算剪切模量的有效性。【结果】存在一个与树种有关的试件长厚比下限值,当试件长厚比小于该下限值时,自由梁迭代法不能计算出正常的弹性模量和剪切模量或根本计算不出弹性模型和剪切模量;自由梁迭代法计算出的弹性模量高于Euler自由梁法计算出的弹性模量,其程度与试件长厚比有关,仅当试件长厚比大于24时其偏高值才在4%以内;自由梁迭代法计算出的剪切模量与矩形截面因子k取值有关,当k取0.833和0.913时,分别高于自由杆件扭转振动法(自由板扭转振型法)剪切模量测试值12.2%和2.3%(19.9%和9.3%)。【结论】为保证自由梁迭代法测试精度,推荐采用长厚比20～24的梁试件动态...     

加拿大铁杉正交胶合木弯曲性能预测与评估

为了对正交胶合木(CLT)的弯曲性能开展有效预测与评估,验证CLT板件弯曲性能预测值的可靠性,采用自由梁横向振动法,对加拿大铁杉锯材顺纹弹性模量进行动态测试与质量分等;采用悬臂板横向振动法动态测试铁杉锯材的横纹剪切模量和弹性模量;将分等后的铁杉锯材制成足尺CLT楼板、墙板用板材,并采用四点弯曲法静态测试CLT板材的弹性模量值;然后将锯材顺纹弹性模量、横纹剪切模量和弹性模量实测值代入模型公式进行CLT板弯曲性能预测,并与CLT板材静态弹性模量实测值作比较分析。结果表明:CLT主强度方向弹性模量预测值为11 222 MPa,实测值为11 312 MPa,CLT板材的弯曲弹性模量的预测值与其实测值决定系数为0.887,具有较强的相关性;用CLT板材的预测值模型公式评估其弯曲性能指标,具有应用上的可行性和可靠性;铁杉制成的CLT板材弯曲性能达到CLT楼板、墙板等工程用的等级要求。     

定向刨花板剪切模量和弹性模量动态测试

【目的】研究定向刨花板(OSB)的各向异性,探讨OSB面内剪切模量动态和静态测试方法,以提供一种快速、简便、重复性好、精度高的动态测试方法测量和分析OSB弹性常数。【方法】应用ANSYS程序计算OSB自由板和悬臂板试件的振形系数,给出振形系数依赖于板长宽比和宽厚比的关系式,通过仿真计算、动态试验和方板静态扭转试验验证其正确性。动态试验测试OSB剪切模量试件从一块整张OSB上下料制作,分为3个方向,即沿整板纵向下料制作的试件(0°或x向)、横向方向下料制作的试件(90°或y向)和沿与纵向呈45°方向下料制作的试件;方板扭转试验测试OSB剪切模量试件沿整板纵向或横向下料制作;动态测试OSB纵向、横向和45°方向弹性模量以及面内剪切模量和45°方向剪切模量。【结果】OSB实测纵向弹性模量是横向弹性模量的2.89倍,45°方向剪切模量小于面内剪切模量。正交各向异性材料方板扭转试验测试剪切模量推算公式需用±45°方向应变测量值的差值进行推算,将其用于OSB,测得的静态剪切模量与动态测试的剪切模量相当吻合。【结论】OSB弹性模量具有方向性,纵向最大,横向最小,45°方向介于二者之间;自由板扭转振形法和悬臂板扭转模态法适用于动态测试OSB面内剪切模量,其正确性得到方板扭转试验验证;0°和90°OSB动态测得的剪切模量几乎相等,可作为OSB面内剪切模量Gxy的估计值;OSB不宜按单向复合材料处理,在理论分析时宜按正交各向异性处理,OSB45°方向的剪切模量G45°相似文献   

测试木材剪切模量的自由板扭转振形法

根据 ANSYS程序和优化原理得到自由板一阶扭转振形函数，应用能量法导出木材剪切模量和自由板一阶扭转频率的关系式。该关系式的正确性得到木材剪切模量的数学仿真、试验测试和静态试验3个方面的验证。瞬态激励法测量西加云杉、国产马尾松、油松、杉木和蒙古栎自由板的频谱，且借助于互功率谱概念从频谱图中识别出自由板的一阶扭转频率。     

自由板扭转振形法测定木材剪切模量

在木材加工行业中,锯材是木结构建筑、家具、木地板等产品的主材,研究其刚度力学性能十分重要。为探讨与完善自由板扭转振形法动态测定木材3个剪切模量的原理和方法,应用自由板一阶扭转振形和能量法,导出了木材剪切模量与自由板一阶扭转频率的关系式,并给出木材弦切面、径切面和横切面振形系数依赖于自由板宽长比和厚宽比的公式。木材的弦切面、径切面和横切面振形系数可以通过公式计算,也可以通过查表获得。通过多树种的仿真计算和动静态试验验证了自由板扭转振形法测定木材弦切面、径切面和横切面剪切模量的正确性。结果表明:自由板扭转振形法适用于测定木材3个剪切模量GLT、GLR和GRT,其测定方法具有简单、快速、重复性好和精度高等优点;实施自由板扭转振形法测定木材剪切模量的关键是测试自由板频谱,并从频谱图上正确识别出一阶扭转频率,推荐用互功率谱概念识别频谱图上的一阶扭转频率。     

加速度计质量和安装位置对木材材料常数测试值的影响分析北大核心

为考察加速计质量和安装位置对木材测试频率的影响,设计了用自由梁和悬臂梁测试一阶弯曲频率以及用自由板测试一阶扭转频率的试验方案。根据能量法和振型推导出适用于计入加速计质量和安装位置影响的弹性模量和自由梁、悬臂梁的一阶弯曲频率的修正关系式以及剪切模量和自由板一阶扭转频率的修正关系式。应用加速度计为传感器实测了西加云杉梁、板和定向刨花板(OSB)沿其长度方向的一阶弯曲频率和一阶扭转频率,验证了导出的修正关系式应用于测试材料弹性模量和剪切模量的有效性,并以加速度计质量m和试件质量M之比m/M为参数,探讨了上述导出的修正关系式的适用范围。     

横向振动法测量结构用木材弹性模量

介绍了采用横向振动法测定结构用板材弹性模量的理论依据和基本方法,组建了一套悬挂式测试试验系统,该系统包括:脉冲锤、加速度计、计算机等。试验表明横向振动法可以有效测得木材试件的固有频率。测试时,激振点和拾振点间的距离应尽量远,如可以分别位于试材两端部附近。而悬挂方式,如采用弹簧或者软绳悬挂,基本不影响测试结果。试验结果表明,采用横向振动法测得的木材弹性模量值稍大于静态试验弹性模量测量值,但二者间具有显著的相关关系,说明可以采用横向振动法测量木材的弹性模量。为使该研究结论用于实践,开发出了基于简支梁振动原理的板材弹性模量便携式测量装置,该装置可有效测量板材的动弹性模量,继而对结构用板材进行应力分等。     

实木板材的动态弹性模量检测

以市场上购买的气干核桃楸、水曲柳和红松板材为试材,采用基于打击音的快速傅里叶变换(FFT)频谱分析方法,检测试材的动态抗弯弹性模量,并与力学实验机测定的试材静态抗弯弹性模量作比较。结果表明:用声共振FFT快速自动检测实木板材的弹性模量具有普遍性意义,且比简单根据木材密度估计的方法提高了木材静弹性模量推测的准确度和精度。     

动态测试木材的泊松比

【目的】根据悬臂板一阶弯曲振形给出动态测试木材泊松比的方法,测试西加云杉木材试件径切板顺纹、横纹的泊松比和横切面横纹试件的泊松比;对西加云杉木材试件的测试结果,分析用悬臂板试件测量一阶弯曲频率,代入到悬臂梁的公式推算出弹性模量的精度;同时用低碳钢板的动态测试试验来验证动态测试木材泊松比方法的正确性,为在木建筑、家具、木材加工等行业中对木材力学性能测定研究工作提供借鉴。【方法】根据动力学原理,利用 YD-28A 型四通道动态电阻应变计和 CRAS 振动及动态信号采集分析系统等测试仪器,以敲击方式激励悬臂西加云杉木材、低碳钢试件的自由振动,通过滤波处理保留其基频振动,记录并显示基频振动的横向应变和纵向应变的衰减振波曲线,并从同一时刻的横向应变峰值与纵向应变峰值比值得泊松比。【结果】横向应变振波曲线的正(负)峰值对应于纵向应变振波曲线的负(正)峰值,说明横向应变振波曲线与纵向应变振波曲线的相位差为180°或横向应变与纵向应变是反向的;通过低碳钢板验证试验,从其振波曲线第一通道和第二通道读出峰峰值,计算它们的比值后取平均值,得低碳钢泊松比的测量值μ=0.28,符合其规范值为0.25～0.28的要求;西加云杉木材的径切面顺纹泊松比μLR与径切面横纹泊松比μRL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;用悬臂梁公式推算的弹性模量值比实际弹性模量值偏小0.7%。【结论】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;西加云杉试件的径切面顺纹泊松比比径切面横纹泊松比大一个数量级,体现了木材的各向异性;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。     

竹木复合层积材的力学性能及耐老化性能

以毛竹靠近竹青的最外层竹篾和桦木单板为原料生产3种不同密度的竹木复合层积材,对其基本力学性能及耐老化性能进行了研究。结果表明:在板材密度0.9～1.1 g/cm3的范围内,竹木复合层积材的抗弯强度>220 MPa,抗弯模量>20 GPa,顺纹抗压强度>150 MPa,顺纹抗拉强度>200 MPa,且板材力学性能随板材密度的增大而增大;在实验室加速老化处理后竹木复合层积材的抗弯模量、抗弯强度、顺纹抗压(抗拉)强度的保留率都很高,均在75%以上,表现出很强的抗老化能力。     

竹帘竹胶合板弹性常数的动态测试与分析

竹胶合板的弹性常数是决定其力学性能的重要指标。为了快速、简便、准确地检测竹帘竹胶合板的弹性模量、剪切模量和泊松比,采用自由板模态法和自由板瞬态激励法动态测试了竹帘竹胶合板的纵、横向板试件的弹性模量E和剪切模量G,采用悬臂板瞬态激励法动态测试了竹帘竹胶合板的泊松比μ;利用静态四点弯曲法试验验证了动态测试竹帘竹胶合板弹性模量、剪切模量和泊松比的准确性与可靠性;并对整板的质量等级、均质性和尺寸效应等进行了机理分析与评价。结果表明：竹帘竹胶合板的动态弹性模量、剪切模量和泊松比均值分别为0.7 GPa、1 300 MPa和0.12,均符合GB/T13123—1991和LY/T 1575—2000中一等品规定要求;竹帘竹胶合板不满足G=E/2(1+μ)的关系式,为各向异性材料;动静态法测试得到竹帘竹胶合板试件弹性常数值一致,且动态测试法具有快速、简便、重复性好和精度高等优点。     

室外用重组竹及重组竹木复合材生产工艺初探

以酚醛树脂为胶粘剂,以竹束和木单板为原料,制造出室外用重组竹和重组竹木复合材,探讨了热压温度和压力对板材的弹性模量、静曲强度以及吸水厚度膨胀率的影响规律。结果表明:随着热压温度的提高,重组竹和重组竹木复合材的静曲强度、弹性模量、尺寸稳定性显著增加;在本研究范围内,热压压力对板材力的学强度和吸水厚度膨胀率的影响不显著;重组竹的静曲强度和弹性模量均明显高于重组竹木复合材,但其尺寸稳定性无显著区别;重组竹和重组竹木复合材的优化热压温度与压力分别为170℃和4MPa。     

国产日本落叶松正交胶合木抗弯弹性模量评价方法

采用国产日本落叶松锯材制备正交胶合木(CLT),分别采用静力法和纵向振动法测定CLT抗弯弹性模量,并采用剪力类比法预测等效抗弯刚度,分析无损检测技术和理论计算的可行性与准确性。结果表明:静力法测试时随着跨高比的增加,CLT的抗弯弹性模量呈现递增趋势,建议跨高比≥24;动态抗弯弹性模量均高于静态抗弯弹性模量,相对误差在10%以内;剪力类比法能够有效预测CLT等效抗弯刚度,预测值和实测值相对误差在±5%以内。     

扭叶松实木板材三种动态弹性模量和静态弹性模量比较研究(英文)

采用Pundit、Metriguard、FFT等三种无损检测方法和常规弯曲法对加拿大扭叶松(lodgepole pine)蓝变与非蓝变实木板材的动态及静态弹性模量进行检测和比较研究。结果表明,蓝变材三种动态弹性模量及静态弹性模量均高于非蓝变材;对比分析表明,蓝变材和非蓝变材的动态及静态弹性模量存在差异,其中动态弹性模量差异均达到0.01显著性水平,静态弹性模量差异达到0.05显著性水平,并且心、边材及密度值不同是导致以上差异的主要原因。相关性分析表明,动态与静态弹性模量间相关性达到0.01显著性水平;尽管三种无损检测方法测量结果存在差异,但它们之间仍存在密切相关性,FFT 技术测量的准确性高于Pundit和Metriguard;板材中结子数影响木材动态和静态弹性模量,随着板材结子数增加弹性模量相应地降低。     

资源节约型高性能竹木复合板的研制

采用多种无屑切削方式,将竹材、木材及制材、旋切剩余物——边皮、木芯,加工成不同形态的构成单元,组合成合理的复合板坯结构,热压胶合成一种竹木复合板材。检测结果表明：半成品加权平均利用率可达90．1％,成品板材的出材率为63．1％,居各类型胶合板之首;板材纵横强度之和：静曲强度为113．1MPa,弹性模量为9578MPa,是一种资源节约型高性能的竹木复合板材。     

竹木复合层合板老化性能试验

运用ASTM D1037人工加速老化试验方法对一种公交车底板上的竹木复合材料新产品进行6个周期循环老化研究.分析了板材的耐水性、尺寸稳定性、各项力学性能值在加速老化过程中的变化情况,并对老化后该种竹木复合材料的抗弯强度和弹性模量进行回归分析,拟合出一般的力学性能和老化周期的函数方程.研究表明:老化过程中板材的抗弯强度和弹性模量的都呈现下降趋势,但老化过程对纵向抗弯强度的影响程度要小于对纵向弹性模量的影响.     

竹木复合中密度纤维板工艺条件的研究

研究了竹木纤维混合比、空比和纤维筛分值工艺条件对木复合中密度性能的影响。结果表明，在合适的工艺条件下，可以生产出具有优良性能的竹木复合中密度纤维板。竹木复合中密度纤维板的静曲强度、弹性模量和吸水厚度膨胀率随竹木纤维混合比的增大而增大；而平面抗拉强度在０／１～１／１范围内随竹木纤维混合比加大模量和吸水厚度膨胀率随竹木纤维混合比为１／１时，ＩＢ最小。板的静曲强度、弹性模量、平面抗拉强度和吸水厚度膨胀率     

动态测定木材泊松比μ_(LT),μ_(LR)和μ_(RT)的电测法

【目的】给出动态测试木材泊松比的理论依据,提出一种简单易行且能提高测试精度的动态测试木材泊松比μLT,μLR和μRT的方法。【方法】从木材的应力-应变关系(胡克定律)和悬臂板一阶弯曲模态的应力、应变分析2方面阐述动态测试木材泊松比的原理和方法。对轻木、云杉、欧洲赤松、白蜡木、山毛榉5个树种木材,将其长宽比为6,5,4,3的弦切面、径切面和横切面制成悬臂板试件,应用ANSYS程序shell63单元计算其在一阶弯曲模态下的应变和应力,并通过应力、应变分析及平面应力状态下的应力-应变关系得到动态测定木材泊松比的应变花粘贴位置;同时采用静态试验验证动态测试泊松比的正确性。【结果】悬臂木板作一阶弯曲振动时,板内横向应变εy与纵向应变εx之比随距其悬臂端距离的增加而上升;横向应力σy与纵向应力σx之比在整个板内都很小,随距悬臂端距离的增加从正值下降到负值,存在一个σy等于零的位置,在此位置上横向应变与纵向应变之比的绝对值不仅等于泊松比值,而且等于ANSYS计算时输入的泊松比值,以此确定动态测试木材泊松比的应变花粘贴位置。【结论】动态测定木材泊松比μLT,μLR和μRT的十字应变花粘贴位置取决于悬臂板内横向应力σy等于零的位置。对于弦切面的悬臂板,十字应变花粘贴位置与板宽长比和板材密度有关;对于径切面和横切面的悬臂板,其十字应变花粘贴位置仅与板长宽比有关;瞬态激励测量应变花的横向应变和纵向应变频谱,一阶弯曲频率的横向应变与纵向应变的线性谱幅值之比得到泊松比的动态测量值;虽然木材的横向应力与纵向应力之比在其整个悬臂板内都很小,但因木材主向弹性模量相异很大,故在测试木材泊松比时不容忽视其横向应力σy与纵向应力σx的比值;动态测试木材泊松比方法的正确性得到轴向拉伸和四点弯曲等静态试验的验证,且木材泊松比动态测试值的分散性相对于静态测试值有所改善。     

利用超声波检测杉木抗弯弹性模量

以大尺寸杉木板材为研究对象，通过超声波测试仪对其动态弹性模量进行无损检测及用微机控制电子式木材万能试验机测试其静曲弹性模量，并分析了两种试验方法测定结果之间的关系。结果表明：（1）杉木板材的静曲弹性模量E1和动态弹性模量E2之间呈线性相关，不同厚度的试样无论是作为独立样本还是合并成总体样本空间，其相关性都非常显著，相关系数为0．75～0．95；（2）各种规格的杉木静曲弹性模量平均值E1与动态弹性模量平均值E2的比值E1／E2受杉木板材的厚度影响较小，其值为0．768～0．837。