木材剪切模量测定方法技术

本发明专利技术提供一种无需破坏试件、测试时间短、测试结果准确的木材剪切模量测定方法。其是以两根橡皮筋把长宽高分别为l、b、h的板材自由悬挂，把加速度计设置在板材的一自由端上，以力锤敲击板材的另一自由端，激发板材振动；把加速度计检测的板材加速度大小的输出信号送入信号调理箱经放大、滤波后输出，再送入信号采集箱内进行数据采集；然后进行A/D转换后进行数据处理，得出板材的频谱图；从该频谱图中找出1阶扭转频率ft的数值；以计算出该木材的剪切模量G；其中ρ为板材的密度。

【技术实现步骤摘要】
木材剪切模量测定方法
本专利技术涉及木材剪切模量测定方法。
技术介绍
在土木建筑、家具和木材加工行业中，锯材作为木结构建筑，高档家具制造，木地板等产品的必备主材，对其力学性能的检测及其优化设计工作尤为重要。剪切模量有多种测试方法，但是作为大多需要对试件进行破坏性测试。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无需破坏试件、测试时间短、测试结果准确的木材剪切模量测定方法。本专利技术的木材剪切模量测定方法,是以两根橡皮筋把长宽高分别为l、b、h的板材自由悬挂，把加速度计设置在板材的一自由端上，以力锤敲击板材的另一自由端，激发板材振动；把加速度计检测的板材加速度大小的输出信号送入信号调理箱经放大、滤波后输出，再送入信号采集箱内进行数据采集；然后进行A/D转换后进行数据处理，得出板材的频谱图；从该频谱图中找出1阶扭转频率ft的数值；以计算出该木材的剪切模量G；其中ρ为板材的密度。上述的木材剪切模量测定方法,如果考虑到加速度计本身对测试结果的影响，则以计算该木材的剪切模量，其中，m为加速度计的质量；M为板材的质量；以板材的中心为坐标原点建立三维直角坐标系，板材长度、宽度、厚度方向分别平行于x、y、z轴；加速度计位于平行于xoy平面的板材表面上；加速度计在板材上的位置为(x0,y0),0<x0<l/2，0<y0<b/2。下面说明本专利技术的测试方法进行详细说明。1測试原理1.1坐标系设板材1长l、宽b、厚h,被从板材下表面绕过的、两根平行的橡皮筋2悬挂，形成自由板。坐标原点取在自由板中心,x轴沿板的轴线(长度方向),其正向水平向右,z轴铅直向上为正,y沿板宽度,其正向按右手规则确定,如图1、2所示。1.2一阶扭转振形假定设自由板相对于x=0截面受反向均布力偶矩作用,则其一阶扭转振动可用如下形式的竖向位移和截面扭转角表为:竖向位移:w(x,y,t)=W(x,y)sinωt振型函数:k根据x=l/2,y=b/2的位移等于W(l/2,b/2)确定,此时k=8。截面扭转角:t是指时间。1.3自由板一阶扭转频率与剪切模量关系1.3.1能量法动能T:ρ－材料密度，由于自由板一阶扭转振形关于x=0面反对称,则上式可表为因为ω=2πftft为1阶扭转频率。最大动能应变能U：矩形板截面转角与扭矩Mn滿足:式中:GIn－截面抗扭模量;Mn－截面扭矩;In=βbh3－矩形截面惯性矩。β与b/h比值有关。最大势能根据Tmax=Umax,得自由板1阶扭转频率推算剪切模量的公式为1.3.2质量修正现考虑测试时加速度计质量对频率的影响。设质量为m的加速度计安装在自由板上的位置为(x0,y0),(0<x0<l/2,0<y0<b/2)，M为自由板质量。当自由板作一阶扭转振动时,附加其上的加速度计动能:系统最大动能:系统最大势能:根据Tmax=Umax,得质量修正后用自由板1阶扭转频率推算剪切模量的公式为式中:2一阶扭转频率识别下面给出两种从锯材自由板频谱识别1阶扭转频率的方法。2.1模态试验识别对西加云杉锯材进行了试件尺寸分别为1250mm×125mm×12.2mm、750mm×125mm×12.2mm、625mm×125mm×12.2mm、500mm×125mm×12.2mm和375mm×125mm×12.2mm的模态试验,试件的长宽比分别为10、6、5、4和3。长宽比为6和3自由板的第1和第2阶模态如图3-6所示。图3是375mm×125mm×12.2mm的自由板第1阶模态振形示意图，其频率是341.29Hz，阻尼为2.02%；图4是750mm×125mm×12.2mm的自由板第1阶模态振形示意图，其频率是117.38Hz，阻尼为0.49%；图5是375mm×125mm×12.2mm的自由板第2阶模态振形示意图，其频率是463.12Hz，阻尼为0.71%；图6是750mm×125mm×12.2mm的自由板第2阶模态振形示意图，其频率是175.63Hz，阻尼为0.17%。由西加云杉锯材长宽比为10、6和5的自由板模态试验结果得知,其第1阶模态振形是1弯(第1阶弯曲),第2阶模态振形是1扭(第1阶扭转)。由于模态试验的阶号与频谱图上出现高峰的顺序号相对应,故1弯对应频谱图上第1高峰频率,1扭对应频谱图上第2高峰频率；而对于长宽比4、3云杉自由板的模态试验结果,第1阶模态振形是1扭,对应频谱图上第1高峰频率,第2阶模态振形是1弯,对应频谱图上第2高峰频率。从云杉锯材的模态试验结果看到,在频谱图上识别1阶扭转频率和1阶弯曲频率的关键在于自由板的长宽比,云杉锯材试件的长宽比分界线是4，即长宽比大于4(按整数计)的云杉锯材自由板频谱图的第2高峰频率对应1阶扭转频率;长宽比不大于4的云杉自由板(方板除外)频谱图的第1高峰频率对应1阶扭转频率。这一结论并不支持其它树种锯材,例如山毛榉与欧洲赤松。对于长宽比＞3的山毛榉板材，频谱图的第2高峰频率即是1阶扭转频率;对于1＜长宽比≤3的山毛榉板材，频谱图的第1高峰频率即是1阶扭转频率。对于长宽比＞5的欧洲赤松板材，频谱图的第2高峰频率即是1阶扭转频率;对于1＜长宽比≤5的欧洲赤松板材，频谱图的第1高峰频率即是1阶扭转频率。木材的自由板试件约1扭频率竟究对应频谱上的第1高峰还是第2高峰是相当复杂的,其原因要涉及到木材的正交各向异性及自由试件的长宽比等诸多因素,解决这个问题完美的识别方法应是试验模态识别法。另外，下面的两种识别方法虽然简易、但具有一定局限性。2.2频率比识别频率比识别1弯和1扭频率在频谱图上的顺序,仅适用于长宽比≥4的木材自由板。对于自由梁2弯频率与1弯频率比为2.7565,对长宽比≥4的木材自由板,2弯频率与1弯频率比近似于这个数值。这就提供了一个简易地从长宽比≥4的自由板频谱图的前四个高峰频率中识别出1阶扭转频率的方法,频率比近于2.6～2.7的两个频率中,低的频率对应1弯,高的对应2弯,余下两个频率,小者对应1阶扭转频率。2.3互功率谱识别从前面分析知道,木材自由板1扭频率必在最前的两阶模态频率中,将其区分,可用两个相同型号加速度计同向安装于自由试件的一自由端的两个角点上,敲击另一自由端的角点激振试件,两通道采集数据,进行互功率谱分析,从互功率谱实部的第1和第2高峰,若负高峰在前,1扭频率对应频谱图上的第1高峰频率;反之,1扭频率对应频谱图上的第2高峰频率。这个方法虽对长宽比不加限制,确实能识别出1扭频率,但不能识别另一频率是顺纹还是横纹的1弯频率。附图说明图1是板材自由悬挂状态示意图。图2是图1中的板材侧视图。图3是375mm×125mm×12.2mm的自由板第1阶模态振形示意图。图4是750mm×125mm×12.2mm的自由板第1阶模态振形示意图。图5是375mm×125mm×12.2mm的自由板第2阶模态振形示意图。图6是750mm×125mm×12.2mm的自由板第2阶模态振形示意图。图7是试验框图。图8为750mm×125mm×12.2mm自由板的频谱图。图9为375mm×125mm×12.2mm自由板的频谱图。图10是方板四角点受集中力P的受力示意图。图11是方板四边受均匀扭矩的受力示意图。图12是方板剪切应力状态示意图。具体实施方式频率法测本文档来自技高网...

【技术保护点】
木材剪切模量测定方法,其特征是:以两根橡皮筋把长宽高分别为l、b、h的板材自由悬挂，把加速度计设置在板材的一自由端上，以力锤敲击板材的另一自由端，激发板材振动；把加速度计检测的板材加速度大小的输出信号送入信号调理箱经放大、滤波后输出，再送入信号采集箱内进行数据采集；然后进行A/D转换后进行数据处理，得出板材的频谱图；从该频谱图中找出1阶扭转频率ft的数值；以计算出该木材的剪切模量G；其中β=116(163-3.36hb(1-h412b4));]]>ρ为板材的密度。

【技术特征摘要】
1.木材剪切模量测定方法,其特征是:以两根橡皮筋把长宽高分别为l、b、h的板材自由悬挂，把加速度计设置在板材的一自由端上，以力锤敲击板材的另一自由端，激发板材振动；把加速度计检测的板材加速度大小的输出信号送入信号调理箱经放大、滤波后输出，再送入信号采集箱内进行数据采集；然后进行A/D转换后进行数据处理，得出板材的频谱图；从该频谱图中找出1阶扭转频率ft的数值；以计算出该木材的剪切模量G；其中ρ为板材的密度。2.如权利要求1所述的木材剪切模量测定方法,其特征是:如果考虑到加速度计本身对测试结果的影响，则以计算该木材的剪切模量，其中，m为加速度计的质量；M为板材的质量；以板材的中心为坐标原点建立三维直角坐标系，板材长度、宽度、厚度方向分别平行于x、y、z轴；加速度计位于平行于xoy平面的板材表面上；加速度计在板材上的位置为(x0,y0),0<x0<l/2，0...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正，刘斌，王亚磊，高子震，梁星宇，杨燕，顾玲玲，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32