MTS材料試驗(yàn)機(jī)在木材科學(xué)中的應(yīng)用

MTS材料試驗(yàn)機(jī)已在科研和工程部門大量應(yīng)用，成為測量材料常規(guī)力學(xué)性質(zhì)的基本設(shè)備。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料試驗(yàn)機(jī)的性能也在不斷改進(jìn)，從50年代的主要是機(jī)電傳動材料試驗(yàn)機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在已普遍采用的電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)。特別是80年代后期，由于電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)，取代了以前采用的模擬控制系統(tǒng)，試驗(yàn)機(jī)的控制性能和測量精度大大提高。材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用最活躍的有以下幾個方面：1．先進(jìn)工程系統(tǒng)：模擬地震臺，人工造波，模擬常規(guī)發(fā)射系統(tǒng)等2．航空及宇航：航空、航天飛機(jī)、飛船、衛(wèi)星中使用的復(fù)合材料、陶瓷、先進(jìn)材料3．生物材料及結(jié)構(gòu)測試：人工關(guān)節(jié)，臀，膝蓋，腿部，軀體組織，牙齒等仿生材料力學(xué)性能測試以及以上器官的整體模擬試驗(yàn)。4．土木工程：工程結(jié)構(gòu)與大載荷實(shí)驗(yàn)，巖石力學(xué)，土壤和瀝青實(shí)驗(yàn)、混凝土實(shí)驗(yàn)。5．常規(guī)材料測試：金屬，塑料等，承受靜、動載荷的復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)。6．汽車及零部件：汽車耐久性，操作，行駛及運(yùn)轉(zhuǎn)性能，疲勞實(shí)驗(yàn)及模擬試驗(yàn)。MTS應(yīng)用在木材科學(xué)中主要是進(jìn)行木質(zhì)材料或木復(fù)合材料的抗彎、抗拉、抗壓以及彈性模量、沖擊韌性、抗彎抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能測試。試樣一般采用所做試樣要求按照國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，有時候會是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比如GB50329-2002《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB50005-2003《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，特殊情況下也會根據(jù)具體目標(biāo)而具體制樣。我們力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中MTS材料試驗(yàn)機(jī)主要你有氣壓和液壓（油壓），下面我將主要介紹液壓型伺服材料試驗(yàn)機(jī)。一、液壓伺服試驗(yàn)機(jī)閉環(huán)原理和基本組成如下:一般情況下液壓系統(tǒng)包括：動力機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu)和輔助裝置。各機(jī)構(gòu)的組成和作用如下：動力機(jī)構(gòu)：高壓泵其功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，?zhí)行機(jī)構(gòu)：油泵（作動器），其作用是將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能控制機(jī)構(gòu)：電伺閥、伺服閥，其作用是控制和調(diào)節(jié)液流的壓力、流量和方向輔助裝置：油箱、油管、蓄能器、冷卻器和過濾器等。操作系統(tǒng)軟件為793.00系統(tǒng)軟件其中兩個基本應(yīng)用程序也是我們常用的BasicTesultiware和MultiPurposetTestware。MTS電液伺服控制原理：MTS公司的各種材料試驗(yàn)機(jī)，都是采用點(diǎn)液伺服閉環(huán)系統(tǒng)其基本原理如下：指令液壓作動器液壓源伺服驅(qū)動器和閥驅(qū)動器閉環(huán)回路伺服器液壓作動器液壓源伺服驅(qū)動器和閥驅(qū)動器閉環(huán)回路伺服器RP控制反饋選擇試件反饋試件反饋選擇器傳感器傳感器調(diào)節(jié)器 傳感器傳感器調(diào)節(jié)器信號輸出（反饋）二、MTS操作注意事項(xiàng)：安裝試樣時，采用“MTS”遠(yuǎn)程控制器，手動安裝和拆卸試件。在做適合試驗(yàn)時，要正確使用控制面板上的”極限保護(hù)“裝置，盡量減少裝、卸試件、降低試件與設(shè)備出現(xiàn)事故的可能性。啟動電源開關(guān)后。不要觸摸露出的電線及接觸器，也不要打開和關(guān)閉輔助開關(guān)。要防止電纜過載及接觸液油，操作前要認(rèn)真檢查電纜，如有損傷應(yīng)及時更換，每個插頭必須插在各自的插座內(nèi)。仔細(xì)檢查各油路，以防止漏油及噴油事故的發(fā)生。操作前在夏季應(yīng)打開水箱，以防止油箱溫度過高。設(shè)備在運(yùn)行過程中主要有以下三個危險(xiǎn)區(qū)：在動作器塞桿和試件運(yùn)動時，載荷架平臺與橫梁之間為危險(xiǎn)區(qū)。運(yùn)動中的機(jī)械聯(lián)接為危險(xiǎn)區(qū)，不要用身體的任何部分去觸碰它從液壓油管所經(jīng)過的地方經(jīng)常仔細(xì)檢查有無損壞。不要在此區(qū)域工作或做其他事，以防液壓管泄漏。三、簡要操作方法：（以BasicTestware為例）開啟計(jì)算機(jī)，點(diǎn)擊MTS專用試驗(yàn)平臺“StationManager”，進(jìn)入MTS操作主站口窗臺。（StationManagerMainWindow）見圖1檢查和設(shè)置你所用站臺參數(shù)是否符合試驗(yàn)要求。包括力的量稱、位移量程、傳感器的型號、規(guī)格等見圖2進(jìn)入做試驗(yàn)程序窗口（BasicTestwareWindow），點(diǎn)擊主站臺窗口mennbar（stationapplication），點(diǎn)擊應(yīng)用程序（BasicTestware）見圖3設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)循環(huán)命令（命令、數(shù)據(jù)采集、循環(huán)載荷、次數(shù)、頻率、波形等）開液壓（StationcontrolsPanels）安裝試樣、安裝引申儀（控制方式；遠(yuǎn)程控制面板）（ReccontrolsandIndicators）設(shè)置保護(hù)（Detectorswindow）正式試驗(yàn)開始，試驗(yàn)開關(guān)（StationcontrolsPanels）“Programcontrol”完成試驗(yàn)后，停止試驗(yàn)程序，取下試樣，關(guān)閉液壓取數(shù)據(jù)，打印結(jié)果圖1StationManager的主窗口圖2StationSetup窗口圖3BasicTestWar四、MTS應(yīng)用舉例1.BFRP加固榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究中國古典木結(jié)構(gòu)建筑的各個構(gòu)件之間基本上都采用榫卯連接，這種連接方式使建筑節(jié)點(diǎn)間剛?cè)嵯酀?jì)，具有較好的抵消水平推力的作用，在地震中表現(xiàn)出良好的抗震性能。但是由于年代久遠(yuǎn)，榫卯節(jié)點(diǎn)在水平地震力作用下會產(chǎn)生松動等，故加固榫卯節(jié)點(diǎn)的研究已經(jīng)是必要和急需的。，本次試驗(yàn)榫卯試件做成簡單的透榫進(jìn)行試驗(yàn)，分成未加固試件和BFRP加固試件在水平低周反復(fù)荷載下的試驗(yàn)研究，。試驗(yàn)試件選用木材為福建水杉，天然干燥期1年，力學(xué)性能見表1，試件制作參考《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊》加載方案及量測方案加載方案:1)為便于加載，將木柱兩端固定并用鋼梁壓住，采用推梁的方式模擬受力過程;2)通過水平千斤頂在木柱上施加恒定荷載;3)為防止節(jié)點(diǎn)平面外移動，在梁兩側(cè)設(shè)置側(cè)向支撐;4)由于節(jié)點(diǎn)本身可以承受的荷載較小而實(shí)驗(yàn)室沒有較小力幅值的作動器，因此采用變幅值(幅值2cm)的方式加載。通過水平作動器施加反復(fù)荷載，每一級位移幅值下循環(huán)3次。試驗(yàn)加載裝置示意見圖4圖4試驗(yàn)加載裝置示意圖量測方案:采用MTS力傳感器、位移計(jì)和應(yīng)變片分別測量荷載(柱端、梁端)、轉(zhuǎn)角(位移計(jì)測量后換算)和應(yīng)變(纖維片材、梁端、柱端)，所有應(yīng)變采用數(shù)據(jù)采集儀自動采集。在節(jié)點(diǎn)區(qū)域1倍直徑和1.5倍直徑范圍內(nèi)布置4個位移計(jì)來量測塑性鉸區(qū)轉(zhuǎn)角(參照混凝土節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)布置)。在節(jié)點(diǎn)水平方向上布置一個位移計(jì)來觀測和校正固定端的位移。在梁柱節(jié)點(diǎn)纖維布上布置10個應(yīng)變片來收集纖維應(yīng)變數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程先通過水平千斤頂施加10kN水平荷載保持不變，然后采用MTS作動器加反復(fù)荷載，直至作動器達(dá)到最大量程10cm。數(shù)據(jù)采集圖形見圖5-9。圖5試件荷載-位移滯回曲線圖6試件荷載-位移骨架曲線圖7試件剛度-位移關(guān)系圖8層數(shù)與極限承載力提高曲線圖9層數(shù)與剛度提高曲結(jié)論：(1)加固后榫卯節(jié)點(diǎn)的滯回曲線飽滿，滯回環(huán)面積很大。(2)各試件的剛度隨位移增加而減小，且減小的幅度較大，并隨加固層數(shù)的增加得到較大提高。(3)從滯回曲線可知，加固后的榫卯節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度退化發(fā)生在第2次循環(huán)，退化幅度相對較大，第3次循環(huán)和第2次循環(huán)的強(qiáng)度基本一致，退化幅度相對較小;退化幅度隨控制位移的增大而增大。(4)用試驗(yàn)控制位移幅值100mm計(jì)算榫卯節(jié)點(diǎn)的相對變形值為1/11.5，表明榫卯節(jié)點(diǎn)連接具有非常好的變形性能。(5)通過對不同BFRP層數(shù)加固的榫卯節(jié)點(diǎn)剛度和強(qiáng)度變化規(guī)律的研究，擬合出相應(yīng)的加固設(shè)計(jì)公式，具有一定的工程應(yīng)用價值。(6)在實(shí)際加固工程中，可根據(jù)實(shí)際需要，選取是用剛度還是極限承載力加固公式來設(shè)計(jì)加固時BFRP的層數(shù)?；蛘邇墒蕉荚囁阋幌?，擇優(yōu)選取纖維布加固的層數(shù)。采用BFRP加固榫卯節(jié)點(diǎn)對榫卯節(jié)點(diǎn)剛度和強(qiáng)度提高較大，且施工方便、較為美觀，可以達(dá)到維修加固的目的。2.玻璃纖維／木塑混雜復(fù)合材料及其協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)材料制備：選用長度分別為5mm、2mm的元堿短切玻璃纖維(江蘇丹陽玻璃纖維廠提供)，其直徑均為14pm，長徑比(L／d)分別為357(L型)、143(S型)。相容劑選用馬來酸酐改性聚丙烯(EASTMAN公司，牌號為EPOIENEG一3003)。將上述干燥后的再生塑料粒子與木纖維(含量為35%)、玻璃纖維(0%、5%、10%、15%)和相容劑(用量為木纖維的10%)在AEMF一101高速攪拌機(jī)中進(jìn)行機(jī)械混合3min，攪拌速度1800r／rain，然后置于C0IIINTEACH—lINE固ZK25T雙螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行擠出造粒，模頭溫度為187℃，螺桿加熱區(qū)溫度依次為192℃、197℃、192℃，螺桿轉(zhuǎn)速為45r／rain，擠出壓力為1．3×10Pa，得到混雜型RWPC粒料，然后置于105℃的烘箱中干燥24h。采用TechnicalMachineProduct熱壓成型機(jī)壓制復(fù)合材料板材。所有試樣放在23℃、相對濕度65的條件下自然時效72h，以消除加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。力學(xué)性能測試：按ASTMD790在MTS858MiniBionixSystem上進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)，加載速度為1．3mm／min，跨距為50mm；按ASTMD256在CeastCode6545／000Pendulum上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，跨距為95．3mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集圖像見Fig.1、2、3.結(jié)論：對于木纖維含量為35的RWPC，L型玻璃纖維，對于RWPC具有顯著的增強(qiáng)作用(Fig.1)。當(dāng)玻璃纖維的含量為15%時，與未增強(qiáng)的RWPC相比，彎曲強(qiáng)度由37．33MPa增加到45．35MPa，提高了21%。而采用S型玻璃纖維時，RWPC的彎曲強(qiáng)度下降了約5%玻璃纖維的加入對于RWPC彎曲模量的影響與對彎曲強(qiáng)度的影響相似(Fig.2)。采用長纖維增強(qiáng)時，玻璃纖維可以很好地發(fā)揮其增強(qiáng)作用。對于L型玻璃纖維，當(dāng)其添加量為15%時，RWPC的彎曲模量由2．37GPa增加到3．37GPa，提高幅度達(dá)40%。玻璃纖維的加入對RWPC沖擊強(qiáng)度的影響十分顯著(Fig.3)。當(dāng)玻璃纖維的含量為15時，RWPC的沖擊強(qiáng)度由0.30J／cm提高到0.42J／cm，增