木材順紋方向純剪強度的測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種木材順紋方向純剪強度的測量裝置。該裝置主要包括：帶V形凹槽的木材，該帶V形凹槽的木材設置在左右兩個鋁塊中間，與所述左右兩個鋁塊粘結在一起，組成了鋁?木組合梁，該鋁?木組合梁分別通過連接件與位于上部的上傳遞梁、位于下部的下支座連接，與上傳遞梁和下支座組成一個整體。本發明實施例的裝置能夠很好地獲得木材剪切強度比較準確的結果，克服了木材規范中受剪試驗剪切破壞面上剪應力分布不均勻、凹角處存在應力集中、破壞面上有彎曲應力的影響等缺點，同時也克服了直接用Iosipescu剪切裝置測試木材抗剪強度試驗中存在的破壞不發生在理論破壞面處、試件左右的應力分布不對稱、試件變形大、可能發生滑移等缺點。
【專利說明】
木材順紋方向純剪強度的測量裝置
技術領域
[0001]本發明涉及木材力學性能測試技術領域，尤其涉及一種木材順紋方向純剪強度的測量裝置。
【背景技術】
[0002]木材是一種復雜的多孔性、非勻質性、各向異性材料，因其輕質高強的特點而被廣泛地應用于建筑、裝飾等許多領域。木材的各向異性性質體現在其順紋方向(木纖維生長方向)的力學性能要遠遠高于橫紋方向的力學性能。為了在生產生活中合理而可靠地利用木材，必須首先對其物理力學性能有所認識。
[0003]木材的力學性能主要包括抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度和抗彎強度等。其中，抗拉強度、抗壓強度和抗彎強度的測試方法各國規范都有統一的標準，盡管在加載方法和試件尺寸上不盡相同，但原理基本一致。木材抗剪強度的測試各國規范盡管也有統一的標準，但在學術界卻一直備受爭議，究其原因主要是因為木材的純剪受力狀態在試驗中比較難以達到，在剪切破壞面上總會有彎曲應力的存在，因此測得的強度值很難稱得上是木材的純剪強度。無論是中國國家標準GB/T 1937-2009還是美國標準ASTM-D143亦或是日本標準JISZ-2101所采用的塊剪試驗方法都存在這個問題。除此之外，這種塊剪試驗存在的問題還包括:1)剪應力在剪切破壞面上分布不均勻;2)試塊凹角處有嚴重的應力集中現象。
[0004]針對這種情況，想要獲得木材的純剪強度通常來說有兩種思路，一種是利用數值模擬并借助各向異性材料的強度準則如Tsa1-Wu準則，將塊剪試驗測試的結果轉換成木材的純剪強度;另一種思路是設計新的受剪裝置來使得木材發生純剪破壞。針對后一種思路，學者們設計了多種多樣的剪切裝置，其中學者1sipescu針對金屬材料提出的一種四點非對稱加載方法后來被認為是使得材料處于最接近純剪狀態的方法之一。之后的很多學者又在他的基礎上對該方法進行過許多不同的改進。許多學者也嘗試著將其用于木材抗剪強度的測試，但卻發現測試的結果不甚理想，這主要是因為:I)木塊的破壞位置往往不是發生在理論破壞面處，而是首先在試驗裝置與試件接觸面的邊緣發生開裂;2)木材在破壞之前可能會發生比較大的變形，影響試件內部的應力分布形式;3)木材試件與試驗裝置之間可能會發生滑移。
[0005]針對以上提到的問題，要想利用四點非對稱加載方法測試木材的純剪強度，就必須對1sipescu剪切裝置進行改進。
【發明內容】
[0006]本發明的實施例提供了一種木材順紋方向純剪強度的測量裝置，以實現有效地測量木材剪切強度。
[0007]本發明提供了如下方案:
[0008]—種木材順紋方向純剪強度的測量裝置，包括:帶V形凹槽的木材，該帶V形凹槽的木材設置在左右兩個鋁塊中間，與所述左右兩個鋁塊粘結在一起，組成了鋁-木組合梁，該鋁-木組合梁分別通過連接件與位于上部的上傳遞梁、位于下部的下支座連接，與上傳遞梁和下支座組成一個整體。
[0009]進一步地，所述木材的順紋方向沿木塊的高度方向^形凹槽的角度為110°。
[0010]進一步地，所述木材的上下部各包含一個V型缺口。
[0011]進一步地，所述木材與左右兩個鋁塊通過膠水粘接。
[0012]進一步地，所述左右兩個鋁塊都分別通過兩個連接件與上傳遞梁、下支座連接，連接件通過螺桿與左右鋁塊、上傳遞梁、下支座固定連接。
[0013]進一步地，在左右兩個鋁塊、上傳遞梁、下支座的前表面和后表面分別設置有4個連接件，每個連接件上有2個螺桿。
[0014]進一步地，所述上傳遞梁、下支座包含用來固定連接件的卡槽。
[0015]進一步地，所述木材的V形凹槽和上傳遞梁的中心點錯開。
[0016]進一步地，外荷載對準所述木塊的V形凹槽以集中力的形式施加在所述上傳遞梁上。
[0017]由上述本發明的實施例提供的技術方案可以看出，本發明實施例的裝置能夠很好地獲得木材剪切強度比較準確的結果，克服了木塊受剪試驗剪切破壞面上剪應力分布不均勻、凹角處存在應力集中、破壞面上有彎曲應力的影響等缺點，同時也克服了直接用1sipescu剪切裝置測試木材抗剪強度試驗中存在的破壞不發生在理論破壞面處、試件左右的應力分布不對稱、試件變形大、可能發生滑移等缺點。
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1為受剪木塊試樣制作示意圖；
[0020]圖2為受剪夾具各零件不意圖；
[0021 ]圖3為受剪夾具和木塊組合示意圖；
[0022]圖4為外荷載作用方式及鋁-木組合梁內彎矩、剪力示意圖；
[0023]圖中標號:
[0024]1-傳遞梁;2-鋼制連接件;3-螺桿;4-鋁塊;5-待測木材試塊;6_鋼制支座。
【具體實施方式】
[0025]下面詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
[0026]本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。
[0027]本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0028]為便于對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例并不構成對本發明實施例的限定。
[0029]首先將待測木材試塊制作成帶V型缺口的形式，如附圖1所示，順紋方向沿木塊的高度方向，V型缺口的開槽角度是110°，這樣設計的開槽角度能夠確保木塊在V型缺口處發生破壞，并且不會產生應力集中的現象。待測木材試塊的上下部各包含一個V型缺口。
[0030]本發明實施例的木材順紋方向純剪強度的測量裝置的各零件結構示意圖如圖2所示，該裝置也稱為受剪夾具，該受剪夾具包括上傳遞梁1、鋼制下支座6、左右兩個鋁塊4、八個鋼制連接件2和八個螺桿3。
[0031]圖3為本發明實施例提供的一種受剪夾具和木塊組合示意圖，將待測木材試塊5制作成帶V形凹槽的形式后，與左右鋁塊用強力膠相粘結，組成了一個鋁-木組合梁，該組合梁再通過連接件與上傳遞梁和下支座組成一個整體。在圖2中，左右兩個鋁塊都分別通過兩個連接件與上傳遞梁、下支座連接，連接件通過螺桿與左右鋁塊、上傳遞梁、下支座固定連接，在左右鋁塊、上傳遞梁、下支座的前表面和后表面分別設置有4個連接件，每個連接件上有2個螺桿。待測木材試塊的V形凹槽和上傳遞梁的中心點錯開。通過八個貫通的螺桿以及八個連接件，組合梁與上傳遞梁及下支座連接形成一個整體。上傳遞梁和下支座包含用來固定連接件的卡槽，防止連接件發生轉動，這樣可以保證在受力過程中通過連接件傳遞到組合梁上的荷載始終是豎向施加的。并且四個集中力是直接施加在組合梁的中性軸上，相比于1sipescu剪切試驗中力施加在木材表面，該方法使得木塊中應力的分布更為左右對稱。
[0032]下支座的作用是固定整套受剪夾具，使其不發生轉動和平移;上傳遞梁的作用是直接承受來自試驗機的集中荷載，并將其向下傳遞;連接件不僅起連接鋁-木組合梁和傳遞梁及支座的作用，更重要的是其也作為力的傳遞路徑。
[0033]本領域技術人員應能理解上述夾具支座的結構類型僅為舉例，其他現有的或今后可能出現的夾具支座的結構類型如可適用于本發明實施例，也應包含在本發明保護范圍以內，并在此以引用方式包含于此。本發明將夾具支座的結構類型設計成工字梁的形式主要是為了方便與Instron 5582萬能試驗機相配套。
[0034]力在受剪夾具內具體的傳遞方式為:在受剪夾具的支座固定好之后，外荷載對準木塊的凹槽以集中力的形式施加在傳遞梁上，由于不是作用在傳遞梁的中間，因此該力通過連接件分配為兩個不等大集中力傳遞給組合梁。與此同時，支座提供了另一組與此相對應的豎直向上的不等大的集中力，也通過連接件傳遞給了組合梁。這樣，組合梁一共在四個位置受集中力的作用，通過這種四點不對稱加載方式，木塊的V型缺口位置正好處于無彎矩而有剪力的狀態，于是發生在木塊的V型缺口處的破壞就可以認為是純剪切破壞，對應的強度值就是木材的純剪強度值。通過在受剪木塊表面粘貼應變片還可以獲得該面的剪切彈性模量。
[0035]圖4為本發明實施例提供的一種外荷載作用方式及鋼-木組合梁內彎矩、剪力示意圖，通過彎矩圖可以發現，組合梁上彎矩最大的位置出現在鋁塊上，而不是木塊上，因此避免1sipescu剪切試驗中木材發生在此處的破壞。并且鋁-木組合梁的設計相比于1sipescu試驗中單純的純木梁剛度變大，變形量減小，不會由于幾何非線性而嚴重地影響木塊內部應力的分布。最后，鋁-木組合梁與傳遞梁以及支座之間用螺桿及連接件固定，不會發生水平滑移和轉動。
[0036]綜上所述，本發明實施例提供的裝置能夠很好地獲得木材剪切強度比較準確的結果，克服了木塊受剪試驗剪切破壞面上剪應力分布不均勻、凹角處存在應力集中、破壞面上有彎曲應力的影響等缺點，同時也克服了直接用1sipescu剪切裝置測試木材抗剪強度試驗中存在的破壞不發生在理論破壞面處、試件左右的應力分布不對稱、試件變形大、可能發生滑移等缺點。
[0037]本發明主要針對木材設計，但也適用于其他單向纖維復合材料剪切性能的測試。本發明旨在提供一種方便而準確的測試木材順紋純剪強度的方法，以上說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想;對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體夾具尺寸、試件尺寸、木材開槽角度、支座類型及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
[0038]本領域普通技術人員可以理解:附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發明所必須的。
[0039]本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或系統實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解并實施。
[0040]以上所述，僅為本發明較佳的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種木材順紋方向純剪強度的測量裝置，其特征在于，包括:帶V形凹槽的木材，該帶V形凹槽的木材設置在左右兩個鋁塊中間，與所述左右兩個鋁塊粘結在一起，組成了鋁-木組合梁，該鋁-木組合梁分別通過連接件與位于上部的上傳遞梁、位于下部的下支座連接，與上傳遞梁和下支座組成一個整體。2.根據權利要求1所述的木材順紋方向純剪強度的測量裝置，其特征在于，所述木材的順紋方向沿木塊的高度方向，乂形凹槽的角度為110°。3.根據權利要求2所述的木材順紋方向純剪強度的測量裝置，其特征在于，所述木材的上下部各包含一個V型缺口。4.根據權利要求1所述的木材順紋方向純剪強度的測量裝置，其特征在于，所述木材與左右兩個鋁塊通過膠水粘接。5.根據權利要求1至4任一項所述的木材順紋方向純剪強度的測量裝置，其特征在于，所述左右兩個鋁塊都分別通過兩個連接件與上傳遞梁、下支座連接，連接件通過螺桿與左右鋁塊、上傳遞梁、下支座固定連接。6.根據權利要求5所述的木材順紋方向純剪強度的測量裝置，其特征在于，在左右兩個鋁塊、上傳遞梁、下支座的前表面和后表面分別設置有4個連接件，每個連接件上有2個螺桿。7.根據權利要求6所述的木材順紋方向純剪強度的測量裝置，其特征在于，所述上傳遞梁、下支座包含用來固定連接件的卡槽。8.根據權利要求5所述的木材順紋方向純剪強度的測量裝置，其特征在于，所述木材的V形凹槽和上傳遞梁的中心點錯開。9.根據權利要求5所述的木材順紋方向純剪強度的測量裝置，其特征在于，外荷載對準所述木塊的V形凹槽以集中力的形式施加在所述上傳遞梁上。
【文檔編號】G01N3/24GK105842084SQ201610176985
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】楊娜, 張雷
【申請人】北京交通大學