基于回型試件的水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于回型試件的水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測量方法，包括步驟：1)制作回型水凝膠試件；2)安裝回型水凝膠試件；3)拉伸實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，用數(shù)字圖像相關(guān)法記錄試件兩平行細(xì)長柱體中間部位即遠(yuǎn)離柱體端部處的變形，同時(shí)記錄試驗(yàn)機(jī)上荷載的讀數(shù)，實(shí)驗(yàn)后，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法得到的試件應(yīng)變，以及試驗(yàn)機(jī)上獲取的荷載，獲得PVA水凝膠材料準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的荷載?位移曲線。本發(fā)明方法采用回型試件能夠很好地解決水凝膠試件在試驗(yàn)機(jī)上的夾持問題，使水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，且排除應(yīng)力集中問題，試件的斷裂點(diǎn)均勻分布。另外，還用數(shù)字圖像相關(guān)法獲得試件中部的變形，較準(zhǔn)確地獲得水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
【專利說明】
基于回型試件的水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及水凝膠試件的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種基于回型試件的水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單軸拉伸實(shí)驗(yàn)是測試材料力學(xué)屬性的傳統(tǒng)方法之一，可以較為簡單又準(zhǔn)確地得到材料的力學(xué)性能。單軸拉伸實(shí)驗(yàn)需要用夾具將試件固定到試驗(yàn)機(jī)上施加荷載。一般而言，傳統(tǒng)夾具夾持試件兩端，利用壓縮產(chǎn)生的摩擦力防止試件滑移，使試件端部無相對滑動(dòng)地跟隨夾具產(chǎn)生軸向位移。由于試件端部除受軸向荷載外還有夾具所施加的橫向荷載，試件端部最易破壞。為了試件能在中部斷裂，測得材料在單軸拉伸荷載下的強(qiáng)度值，拉伸試件一般做成“狗骨頭”型(或稱“啞鈴”型)ο但水凝膠試件表面非常光滑，而且擠壓過程中試件內(nèi)部水分容易流出試件表面，進(jìn)一步減小試件與傳統(tǒng)夾具之間的摩擦系數(shù)，導(dǎo)致傳統(tǒng)夾具難以穩(wěn)固地夾持水凝膠試件。在實(shí)驗(yàn)過程中，試件端部與夾具極易發(fā)生相對滑移，使實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行。另外，高含水率水凝膠材料的彈性模量非常小(lkPa_103kPa)，傳統(tǒng)夾具易給水凝膠試件端部帶來巨大變形，哪怕做成“狗骨頭”型試件也不能解決這個(gè)問題，這很可能使試件在實(shí)驗(yàn)前就已發(fā)生局部破壞，導(dǎo)致試件在端部斷裂。其斷裂時(shí)的應(yīng)力并不能等同于材料的強(qiáng)度，因此不能得到水凝膠材料準(zhǔn)確的強(qiáng)度值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服以水凝膠為代表的軟材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的困難，提供一種基于回型試件的水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測量方法，該方法采用回型試件能夠很好地解決水凝膠試件在試驗(yàn)機(jī)上的夾持問題，使水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，且排除應(yīng)力集中問題，試件的斷裂點(diǎn)均勻分布。另外，還用數(shù)字圖像相關(guān)法獲得試件中部的變形，較準(zhǔn)確地獲得水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:基于回型試件的水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測量方法，包括以下步驟:
[0005]I)制作回型水凝膠試件
[0006]包括兩根平行的細(xì)長柱體，兩柱體兩端分別被半橢圓實(shí)體相連，相連部分有半圓形凹槽，即半橢圓實(shí)體靠近兩平行柱體的端面中間形成有半圓形凹槽，試件一體成型且左右對稱，兩平行柱體為回型試件的主體部分，柱體中部的變形是單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的重要數(shù)據(jù)；半橢圓實(shí)體用于連接兩柱體，其上的半圓形凹槽與剛性掛鉤接觸，將試件固定于試驗(yàn)機(jī)上；此處須注意:為避免剛性掛鉤勒斷試件，半圓形凹槽的半徑要大于柱體截面邊長；
[0007]2)安裝回型水凝膠試件
[0008]用兩剛性掛鉤穿過試件，分別卡在兩半圓形凹槽處，再用夾具夾持剛性掛鉤另一端，掛鉤直徑與凹槽直徑需相同，這樣，回型水凝膠試件就會(huì)被固定于試驗(yàn)機(jī)上；
[0009]3)拉伸實(shí)驗(yàn)
[0010]實(shí)驗(yàn)過程中，用數(shù)字圖像相關(guān)法記錄試件兩平行細(xì)長柱體中間部位即遠(yuǎn)離柱體端部處的變形，同時(shí)記錄試驗(yàn)機(jī)上荷載的讀數(shù)，由于兩根圓柱體同時(shí)受到相同的荷載，且形狀相同，材料相同，因此變形也相同，每根圓柱受到的荷載為試驗(yàn)機(jī)上讀數(shù)的一半;實(shí)驗(yàn)后，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法得到的試件應(yīng)變，以及試驗(yàn)機(jī)上獲取的荷載，獲得PVA水凝膠材料準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的荷載-位移曲線。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)與有益效果:
[0012]本發(fā)明很好地解決了水凝膠材料由于太過光滑且彈性模量太小所導(dǎo)致的難以夾持固定到試驗(yàn)機(jī)上的問題，使水凝膠材料的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，得到較精確的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，包括彈性模量以及強(qiáng)度，能更好地了解水凝膠材料的力學(xué)性能。
【附圖說明】
[0013]圖1是回型水凝膠試件的外形示意圖。
[0014]圖2是回型水凝膠試件被剛性掛鉤固定于試驗(yàn)機(jī)上的示意圖。
[0015]圖3是回型PVA水凝膠試件被剛性鉤子固定于試驗(yàn)機(jī)上的實(shí)物圖。
[0016]圖4是回型PVA水凝膠試件單軸拉伸加載后的斷裂形態(tài)實(shí)物圖。
[0017]圖5是回型PVA水凝膠試件單軸拉伸實(shí)驗(yàn)過程中拍攝的照片之一，該照片用于計(jì)算試件的應(yīng)變。
[0018]圖6是回型PVA水凝膠試件單軸拉伸實(shí)驗(yàn)后，計(jì)算出的左柱體與右柱體應(yīng)變的對比。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020]本實(shí)施例所述的基于回型試件的水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測量方法，其情況如下:
[0021]實(shí)例試件為PVA(聚乙烯醇)水凝膠(含水率約為80%)材料。試件外觀似被拉長了的“回”字，形似橡皮筋，且左右對稱，如圖1所示，具體如下:兩根平行細(xì)長柱體長50mm，截面邊長2mm，相距1mm;柱體上下兩端分別由半橢圓實(shí)體相連，半橢圓的長半軸為15mm，短半軸為7mm，厚2mm;半橢圓實(shí)體靠近兩平行圓柱的端面中間形成有半圓形凹槽，凹槽半徑為5mm。
[0022]實(shí)驗(yàn)前，試件兩平行細(xì)長柱體分別涂上紅色印泥。用剛性掛鉤穿過試件兩端，卡在半圓形凹槽處，掛鉤半徑需與半圓形凹槽相同。掛鉤另一端用傳統(tǒng)的夾具穩(wěn)固夾持在試驗(yàn)機(jī)上，如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。
[0023]實(shí)驗(yàn)過程中，使用圖像傳感器獲取兩平行細(xì)長柱體中間部分(遠(yuǎn)離柱體端部)的圖像，并同時(shí)獲取試驗(yàn)機(jī)上荷載的數(shù)據(jù)。根據(jù)圣維南原理，柱體中部可忽略邊界效應(yīng)，其變形僅由單軸拉伸荷載引起。試驗(yàn)機(jī)施加的荷載同時(shí)作用于兩根材料和形狀皆相同的柱體上，每根柱體受到的荷載相同，為試驗(yàn)機(jī)荷載讀數(shù)的一半。圖4是加載后試件的斷裂圖，斷裂點(diǎn)在試件的中部，符合拉伸實(shí)驗(yàn)測量材料強(qiáng)度值的要求。
[0024]實(shí)驗(yàn)后，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法得到的試件應(yīng)變，以及試驗(yàn)機(jī)上獲取的荷載，可較精準(zhǔn)地獲得PVA水凝膠材料準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的荷載-位移曲線。圖5是實(shí)驗(yàn)過程中拍攝到的其中一張照片，此照片用數(shù)字圖像相關(guān)法可得到試件的應(yīng)變。圖6是試件左右兩根平行柱體應(yīng)變的對比，可看出左右兩邊應(yīng)變大致相等。
[0025]以上所述實(shí)施例只為本發(fā)明之較佳實(shí)施例，并非以此限制本發(fā)明的實(shí)施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于回型試件的水凝膠材料單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)制作回型水凝膠試件 包括兩根平行的細(xì)長柱體，兩柱體兩端分別被半橢圓實(shí)體相連，相連部分有半圓形凹槽，即半橢圓實(shí)體靠近兩平行柱體的端面中間形成有半圓形凹槽，試件一體成型且左右對稱，兩平行柱體為回型試件的主體部分，柱體中部的變形是單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的重要數(shù)據(jù);半橢圓實(shí)體用于連接兩柱體，其上的半圓形凹槽與剛性掛鉤接觸，將試件固定于試驗(yàn)機(jī)上;此處須注意:為避免剛性掛鉤勒斷試件，半圓形凹槽的半徑要大于柱體截面邊長； 2)安裝回型水凝膠試件 用兩剛性掛鉤穿過試件，分別卡在兩半圓形凹槽處，再用夾具夾持剛性掛鉤另一端，掛鉤直徑與凹槽直徑需相同，這樣，回型水凝膠試件就會(huì)被固定于試驗(yàn)機(jī)上； 3)拉伸實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)過程中，用數(shù)字圖像相關(guān)法記錄試件兩平行細(xì)長柱體中間部位即遠(yuǎn)離柱體端部處的變形，同時(shí)記錄試驗(yàn)機(jī)上荷載的讀數(shù)，由于兩根圓柱體同時(shí)受到相同的荷載，且形狀相同，材料相同，因此變形也相同，每根圓柱受到的荷載為試驗(yàn)機(jī)上讀數(shù)的一半;實(shí)驗(yàn)后，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)法得到的試件應(yīng)變，以及試驗(yàn)機(jī)上獲取的荷載，獲得PVA水凝膠材料準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的荷載-位移曲線。
【文檔編號】G01N1/28GK105928761SQ201610504257
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】許可嘉, 張泳柔, 湯立群
【申請人】華南理工大學(xué)