木材顺纹方向纯剪强度的测量装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种木材顺纹方向纯剪强度的测量装置。该装置主要包括：带V形凹槽的木材，该带V形凹槽的木材设置在左右两个铝块中间，与所述左右两个铝块粘结在一起，组成了铝?木组合梁，该铝?木组合梁分别通过连接件与位于上部的上传递梁、位于下部的下支座连接，与上传递梁和下支座组成一个整体。本发明实施例的装置能够很好地获得木材剪切强度比较准确的结果，克服了木材规范中受剪试验剪切破坏面上剪应力分布不均匀、凹角处存在应力集中、破坏面上有弯曲应力的影响等缺点，同时也克服了直接用Iosipescu剪切装置测试木材抗剪强度试验中存在的破坏不发生在理论破坏面处、试件左右的应力分布不对称、试件变形大、可能发生滑移等缺点。
【专利说明】
木材顺纹方向纯剪强度的测量装置
技术领域
[0001]本发明涉及木材力学性能测试技术领域，尤其涉及一种木材顺纹方向纯剪强度的测量装置。
【背景技术】
[0002]木材是一种复杂的多孔性、非匀质性、各向异性材料，因其轻质高强的特点而被广泛地应用于建筑、装饰等许多领域。木材的各向异性性质体现在其顺纹方向(木纤维生长方向)的力学性能要远远高于横纹方向的力学性能。为了在生产生活中合理而可靠地利用木材，必须首先对其物理力学性能有所认识。
[0003]木材的力学性能主要包括抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗弯强度等。其中，抗拉强度、抗压强度和抗弯强度的测试方法各国规范都有统一的标准，尽管在加载方法和试件尺寸上不尽相同，但原理基本一致。木材抗剪强度的测试各国规范尽管也有统一的标准，但在学术界却一直备受争议，究其原因主要是因为木材的纯剪受力状态在试验中比较难以达到，在剪切破坏面上总会有弯曲应力的存在，因此测得的强度值很难称得上是木材的纯剪强度。无论是中国国家标准GB/T 1937-2009还是美国标准ASTM-D143亦或是日本标准JISZ-2101所采用的块剪试验方法都存在这个问题。除此之外，这种块剪试验存在的问题还包括:1)剪应力在剪切破坏面上分布不均匀;2)试块凹角处有严重的应力集中现象。
[0004]针对这种情况，想要获得木材的纯剪强度通常来说有两种思路，一种是利用数值模拟并借助各向异性材料的强度准则如Tsa1-Wu准则，将块剪试验测试的结果转换成木材的纯剪强度;另一种思路是设计新的受剪装置来使得木材发生纯剪破坏。针对后一种思路，学者们设计了多种多样的剪切装置，其中学者1sipescu针对金属材料提出的一种四点非对称加载方法后来被认为是使得材料处于最接近纯剪状态的方法之一。之后的很多学者又在他的基础上对该方法进行过许多不同的改进。许多学者也尝试着将其用于木材抗剪强度的测试，但却发现测试的结果不甚理想，这主要是因为:I)木块的破坏位置往往不是发生在理论破坏面处，而是首先在试验装置与试件接触面的边缘发生开裂;2)木材在破坏之前可能会发生比较大的变形，影响试件内部的应力分布形式;3)木材试件与试验装置之间可能会发生滑移。
[0005]针对以上提到的问题，要想利用四点非对称加载方法测试木材的纯剪强度，就必须对1sipescu剪切装置进行改进。
【发明内容】
[0006]本发明的实施例提供了一种木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，以实现有效地测量木材剪切强度。
[0007]本发明提供了如下方案:
[0008]—种木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，包括:带V形凹槽的木材，该带V形凹槽的木材设置在左右两个铝块中间，与所述左右两个铝块粘结在一起，组成了铝-木组合梁，该铝-木组合梁分别通过连接件与位于上部的上传递梁、位于下部的下支座连接，与上传递梁和下支座组成一个整体。
[0009]进一步地，所述木材的顺纹方向沿木块的高度方向^形凹槽的角度为110°。
[0010]进一步地，所述木材的上下部各包含一个V型缺口。
[0011]进一步地，所述木材与左右两个铝块通过胶水粘接。
[0012]进一步地，所述左右两个铝块都分别通过两个连接件与上传递梁、下支座连接，连接件通过螺杆与左右铝块、上传递梁、下支座固定连接。
[0013]进一步地，在左右两个铝块、上传递梁、下支座的前表面和后表面分别设置有4个连接件，每个连接件上有2个螺杆。
[0014]进一步地，所述上传递梁、下支座包含用来固定连接件的卡槽。
[0015]进一步地，所述木材的V形凹槽和上传递梁的中心点错开。
[0016]进一步地，外荷载对准所述木块的V形凹槽以集中力的形式施加在所述上传递梁上。
[0017]由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的装置能够很好地获得木材剪切强度比较准确的结果，克服了木块受剪试验剪切破坏面上剪应力分布不均匀、凹角处存在应力集中、破坏面上有弯曲应力的影响等缺点，同时也克服了直接用1sipescu剪切装置测试木材抗剪强度试验中存在的破坏不发生在理论破坏面处、试件左右的应力分布不对称、试件变形大、可能发生滑移等缺点。
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1为受剪木块试样制作示意图；
[0020]图2为受剪夹具各零件不意图；
[0021 ]图3为受剪夹具和木块组合示意图；
[0022]图4为外荷载作用方式及铝-木组合梁内弯矩、剪力示意图；
[0023]图中标号:
[0024]1-传递梁;2-钢制连接件;3-螺杆;4-铝块;5-待测木材试块;6_钢制支座。
【具体实施方式】
[0025]下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0026]本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0027]本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0028]为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0029]首先将待测木材试块制作成带V型缺口的形式，如附图1所示，顺纹方向沿木块的高度方向，V型缺口的开槽角度是110°，这样设计的开槽角度能够确保木块在V型缺口处发生破坏，并且不会产生应力集中的现象。待测木材试块的上下部各包含一个V型缺口。
[0030]本发明实施例的木材顺纹方向纯剪强度的测量装置的各零件结构示意图如图2所示，该装置也称为受剪夹具，该受剪夹具包括上传递梁1、钢制下支座6、左右两个铝块4、八个钢制连接件2和八个螺杆3。
[0031]图3为本发明实施例提供的一种受剪夹具和木块组合示意图，将待测木材试块5制作成带V形凹槽的形式后，与左右铝块用强力胶相粘结，组成了一个铝-木组合梁，该组合梁再通过连接件与上传递梁和下支座组成一个整体。在图2中，左右两个铝块都分别通过两个连接件与上传递梁、下支座连接，连接件通过螺杆与左右铝块、上传递梁、下支座固定连接，在左右铝块、上传递梁、下支座的前表面和后表面分别设置有4个连接件，每个连接件上有2个螺杆。待测木材试块的V形凹槽和上传递梁的中心点错开。通过八个贯通的螺杆以及八个连接件，组合梁与上传递梁及下支座连接形成一个整体。上传递梁和下支座包含用来固定连接件的卡槽，防止连接件发生转动，这样可以保证在受力过程中通过连接件传递到组合梁上的荷载始终是竖向施加的。并且四个集中力是直接施加在组合梁的中性轴上，相比于1sipescu剪切试验中力施加在木材表面，该方法使得木块中应力的分布更为左右对称。
[0032]下支座的作用是固定整套受剪夹具，使其不发生转动和平移;上传递梁的作用是直接承受来自试验机的集中荷载，并将其向下传递;连接件不仅起连接铝-木组合梁和传递梁及支座的作用，更重要的是其也作为力的传递路径。
[0033]本领域技术人员应能理解上述夹具支座的结构类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的夹具支座的结构类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。本发明将夹具支座的结构类型设计成工字梁的形式主要是为了方便与Instron 5582万能试验机相配套。
[0034]力在受剪夹具内具体的传递方式为:在受剪夹具的支座固定好之后，外荷载对准木块的凹槽以集中力的形式施加在传递梁上，由于不是作用在传递梁的中间，因此该力通过连接件分配为两个不等大集中力传递给组合梁。与此同时，支座提供了另一组与此相对应的竖直向上的不等大的集中力，也通过连接件传递给了组合梁。这样，组合梁一共在四个位置受集中力的作用，通过这种四点不对称加载方式，木块的V型缺口位置正好处于无弯矩而有剪力的状态，于是发生在木块的V型缺口处的破坏就可以认为是纯剪切破坏，对应的强度值就是木材的纯剪强度值。通过在受剪木块表面粘贴应变片还可以获得该面的剪切弹性模量。
[0035]图4为本发明实施例提供的一种外荷载作用方式及钢-木组合梁内弯矩、剪力示意图，通过弯矩图可以发现，组合梁上弯矩最大的位置出现在铝块上，而不是木块上，因此避免1sipescu剪切试验中木材发生在此处的破坏。并且铝-木组合梁的设计相比于1sipescu试验中单纯的纯木梁刚度变大，变形量减小，不会由于几何非线性而严重地影响木块内部应力的分布。最后，铝-木组合梁与传递梁以及支座之间用螺杆及连接件固定，不会发生水平滑移和转动。
[0036]综上所述，本发明实施例提供的装置能够很好地获得木材剪切强度比较准确的结果，克服了木块受剪试验剪切破坏面上剪应力分布不均匀、凹角处存在应力集中、破坏面上有弯曲应力的影响等缺点，同时也克服了直接用1sipescu剪切装置测试木材抗剪强度试验中存在的破坏不发生在理论破坏面处、试件左右的应力分布不对称、试件变形大、可能发生滑移等缺点。
[0037]本发明主要针对木材设计，但也适用于其他单向纤维复合材料剪切性能的测试。本发明旨在提供一种方便而准确的测试木材顺纹纯剪强度的方法，以上说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体夹具尺寸、试件尺寸、木材开槽角度、支座类型及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0038]本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0039]本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0040]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，其特征在于，包括:带V形凹槽的木材，该带V形凹槽的木材设置在左右两个铝块中间，与所述左右两个铝块粘结在一起，组成了铝-木组合梁，该铝-木组合梁分别通过连接件与位于上部的上传递梁、位于下部的下支座连接，与上传递梁和下支座组成一个整体。2.根据权利要求1所述的木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，其特征在于，所述木材的顺纹方向沿木块的高度方向，乂形凹槽的角度为110°。3.根据权利要求2所述的木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，其特征在于，所述木材的上下部各包含一个V型缺口。4.根据权利要求1所述的木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，其特征在于，所述木材与左右两个铝块通过胶水粘接。5.根据权利要求1至4任一项所述的木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，其特征在于，所述左右两个铝块都分别通过两个连接件与上传递梁、下支座连接，连接件通过螺杆与左右铝块、上传递梁、下支座固定连接。6.根据权利要求5所述的木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，其特征在于，在左右两个铝块、上传递梁、下支座的前表面和后表面分别设置有4个连接件，每个连接件上有2个螺杆。7.根据权利要求6所述的木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，其特征在于，所述上传递梁、下支座包含用来固定连接件的卡槽。8.根据权利要求5所述的木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，其特征在于，所述木材的V形凹槽和上传递梁的中心点错开。9.根据权利要求5所述的木材顺纹方向纯剪强度的测量装置，其特征在于，外荷载对准所述木块的V形凹槽以集中力的形式施加在所述上传递梁上。
【文档编号】G01N3/24GK105842084SQ201610176985
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】杨娜, 张雷
【申请人】北京交通大学