[发明专利]一种测试材料拉伸弹性模量的方法

说明书

本申请涉及一种测试材料拉伸弹性模量的方法，属于施加稳定的张立或压力测试固体材料的强度特性等物理或化学形状来测试或分析材料技术领域。对梁试件进行自由振动模态测试试验，根据构件的支座约束条件构造出相应的虚拟力向量，由梁的柔度矩阵和虚拟力向量相乘来计算获得虚拟纯弯曲状态下的位移参数，再由所得数据利用中心差分法计算虚拟纯弯曲段的曲率，根据虚拟纯弯曲段横截面的平衡条件列方程得出弹性模量。将本申请应用于各种支座约束条件和横截面类型以及服役已久的既有构件，具有操作简单、测试所需时间短、无破坏性、操作环境不受限制等优点。

技术领域

本申请涉及一种测试材料拉伸弹性模量的方法，属于施加稳定的张力或压力测试固体材料的强度特性等物理或化学形状来测试或分析材料技术领域。

背景技术

材料的弹性模量是其基本的力学参数之一，准确的测量材料的弹性模量对于工程设计具有十分重要的意义。采用单轴压缩变形试验，容易获得材料的压缩弹性模量E_c。而采用单轴拉伸变形试验，对于塑性材料可以较准确地获得其弹性模量E_t。但对于许多脆性材料(如混凝土、岩石等)而言，则很难通过拉伸变形试验来测试其拉伸弹性模量。2013年4月喻勇提出了采用弯曲试验测试材料拉伸弹性模量的方法，其主要步骤为：首先制作细长梁构件，然后进行纯弯曲或者横力弯曲静力加载试验，测试加载过程中横截面上、下边缘的纵向线应变ε_c和ε_t，最后通过公式计算得到材料的拉伸弹性模量E_t。但这种方法存在以下不足：由于要进行真实的纯弯曲或横力弯曲静力加载试验，试验过程比较繁琐，且一定要在实验室进行。其中纯弯曲力学性能试验，理论分析较易实现，但试验加载时，边界条件的施加存在很大困难。另外集中荷载对试件局部力学性能影响很大，精确加载很困难，且可能造成试件的损伤破坏。

基于此，做出本申请。

发明内容

针对现有模量测量中所存在的上述缺陷，尤其是对于拉压弹性模量基本相等的材料，本申请提出一种测试材料拉伸弹性模量的方法，利用试件自由振动的模态参数，并构造虚拟的纯弯曲受力状态，来计算获得材料的拉伸弹性模量，所提方法具有操作简单、测试所需时间短、无破坏性、操作环境不受限制(既可以在实验室也可以在工地现场进行)等优点，且能适用于各种支座约束条件。

为实现上述目的，本申请采取的技术方案如下：

一种测试材料拉伸弹性模量的方法，包括以下步骤：(1)对梁构件进行自由振动模态测试试验，测试得到梁构件自由振动的低阶模态参数，即圆频率ω_j和振型φ_j，由所得数据计算得出梁构件的近似柔度矩阵Ω；(2)根据梁构件的支座约束条件构造出相应的虚拟力向量l_v，使得梁构件中某区段在虚拟力向量的作用下处于两端作用有外力偶U的虚拟纯弯曲受力状态；(3)由梁构件的柔度矩阵和虚拟力向量相乘来计算获得虚拟纯弯曲状态下的位移参数d，再由所得数据d利用中心差分法计算虚拟纯弯曲段的曲率(4)根据虚拟纯弯曲段横截面的平衡条件列方程得出拉伸弹性模量E_t的计算公式，将相应数据代入计算可得到拉伸弹性模量E_t。

进一步的，作为优选：

所述的梁构件为窄高矩形截面细长梁构件，指梁构件的横截面高度大于宽度，且梁构件的有效长度(去除伸入支座以后的长度)与梁构件的横截面高度之比不小于5。

所述的梁构件自由振动模态测试试验，属于常规的动力实验，测试设备主要包括传感器、动态数据采集仪器和模态分析软件，它们均可由市场购买得到，传感器等间距的安置于梁构件的上表面或者下表面对称线上。设测试得到梁构件的前m阶模态参数，即圆频率ω_j和振型φ_j，可由所得数据计算得出梁构件的近似柔度矩阵Ω，计算公式为：