沙柳材弹性常数的测定

李国良，刘志刚，孙玉康

（内蒙古工业大学机械工程学院，呼和浩特010000）

1 沙柳材弹性常数和电测法的概述

1.1 弹性常数的概述

木材是一种高度的非线性材料，每个方向材料的力学特性是不同的，这是由木材的内部组织结构决定的，其木材的基本物理力学特性取决于作用力与木材的纤维方向，为了便于木材物理力学特性的研究，将木材简化成一个正交柱面对称性物体。

1.2 电测法的概述

随着测试技术的逐步成熟，测定沙柳材等正交各向异性材料的各种弹性常数的方法也出现了很多新的方法，如超声波法、电测法等。其中，电测法操作简单且结果精确可靠，因而电测法成为测量沙柳材等正交各向异性材料各种弹性模量的最常用的测试方法。

电测法测试范围大[1]，灵敏度和精度高，本文是在万能力学试验机和无线应变节点的配合下，通过电测法来测定沙柳材的弹性常数，操作简单，频率响应好，能够准确地测定随着载荷的加载，任意时刻沙柳材的应变。

2 电测法主要仪器设备

电测法主要试验仪器：SG404 无线应变节点、万能试验机、应变片、502 胶。

SG404 无线应变节点是一种基于802.15.4 协议的新型数据采集系统，不仅操作简单，反应灵敏，还可以根据自己选择组成不同的桥路，因此无线应变节点逐渐代替了电阻应变仪。

3 试验材料与试样

3.1 沙柳材的采集

参照GB/T 1927—2009《木材物理力学试材采集方法》在内蒙古的周边进行采集。在采集的过程中选择树干圆满并且没有缺陷的沙柳材作为试验的材料，经测量，沙柳材直径为30～40mm，树高2～3m，树龄4～5年。

3.2 沙柳材试样的确定

根据LY/T 2369—2014《沙生灌木物理力学性能测试方法》[2]和GB/T 1929—2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》[3]，并且考虑到沙柳属于小径级的沙生灌木，试件尺寸无法做得太大，综合考虑上述因素，将沙柳试件尺寸做了一些调整，并将沙柳试件尺寸确定为15mm×15mm×20mm（长×宽×高），试样包括轴向、弦向、径向、45°四种试件。

试件制作所用的主要仪器有PPCNC、小型机床、MB120型台式木工锯刨两用机床，首先用MB120 型台式木工锯刨两用机床进行锯切，然后再利用小型机床进行粗加工，再用PPCNC 进行精加工，最后再用砂纸进行抛光达到所要的加工精度。

4 试验方案的拟定

用万能试验机对轴向、弦向、径向、45°进行加载，加载到所需力时，让万能试验机保压60 秒，待无线应变节点稳定后，记录下相应的应变，试验重复5 次，并选取有效的实验数据进行分析。

表1 沙柳材的弹性常数

5 试验结果及合理性检验

5.1 试验结果

按照上述的实验要求及操作，并对所得的试验数据进行处理，得到了沙柳材的弹性常数，如表1 所示。

5.2 试验结果合理性的检验

从表1 可以得出，EL＞ER＞ET，说明沙柳材轴向、弦向、径向呈现出高度的各向异性，泊松比均小于1 且uLR＞uRL＞uTR，根据复合材料相关理论，对于正交异性材料，弹性常数应该满足一定的比例关系，即满足麦克斯韦定理（（i，j=L，R,T，但i≠j）），同时满足工程弹性常数的限制条件，即（i，j=L、R、T），将所得到的试验数据代入麦克斯韦定理以及工程弹性常数的限制条件可知，所得到各个弹性常数的结果是正确的。

6 结论

本文利用万能力学试验机与无线应变节点相结合，采用电测法对沙柳材的弹性常数进行试验的测定，由于沙柳属于小径极的沙生灌木，试件太大难以做到，同时考虑到，为了正确测量沙柳材的弹性常数，沙柳试样尺寸至少要大于沙柳管壁细胞直径的10 倍，因此将试件尺寸确定为15mm×15mm×20mm 是合理的，同时所得到的沙柳材的弹性常数满足麦克斯韦定理，因此通过电测法测得沙柳材的弹性常数，不仅操作简单，而且试验结果可靠。