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DIC非接触全场应变测量系统在木结构力学测试中的应用 | 数字图像相关法

来源: | 作者:ymssn | 发布时间:2022-12-27 | 433 次浏览 | 分享到:
DIC非接触全场应变测量系统用于T形木结构梁筋节点、带孔洞木梁结构加载测试,测量受力状态下木质材料的抗弯强度和弹性模量,分析弯曲和断裂机理,有助于掌握木质材料力学性能和破坏的物理机制,提升木建筑结构整体牢固度和耐久性;木材作为一种常见的建材,被大量应用于建筑结构及桥梁领域。木材力学性质与一般的钢材、混凝土及石材等材料不同,其构造的各向异性导致其力学性质的各项异性。采用数字图像相关法DIC,通过对T形木结构梁筋节点、带孔洞木梁结构、木材进行加载测试,分析木材料与结构承载性能,提升木结构建筑安全性和坚固性;

木材作为一种常见的建材,被大量应用于建筑结构及桥梁领域。木材力学性质与一般的钢材、混凝土及石材等材料不同,其构造的各向异性导致其力学性质的各项异性。采用数字图像相关法DIC,通过对T形木结构梁筋节点、带孔洞木梁结构、木材进行加载测试,分析木材料与结构承载性能,提升木结构建筑安全性和坚固性;



XTDIC非接触全场应变测量系统,采用自主研发的3D数字图像相关性运算法则,为科研实验提供三维空间内的全视场的形状、位移及应变数据测量。

1. 全场测量:

由于应力集中位置不可提前预知,全场测量数据非常关键;XTDIC系统测量不局限于单点,可观测全场变形、应变、位移等数据。

2. 非接触式测量:

相比应变片、引伸计、传感器等接触式测量方式,非接触式测量方案可消除粘贴、传感器自身重量对测量数据准确性的影响。

3. 数据可追溯可评估:

可以实时进行全场应变计算和结果显示,数据可重复使用,整个试验过程均可评估,确保数据真实可靠。

| T 形木结构梁筋节点力学测试

选取梁柱框架边节点处组成的T形木结构进行研究,木结构为1.5m左右的T型木结构实验件,采用XTDIC三维全场应变测量系统获取木结构在循环加载过程中位移场和应变场,分析木结构的关键结构位移情况及失效断裂机理。


三维全场应变测量系统


T形木结构梁的破坏形态主要是横向木结构梁屈服和断裂;木柱植筋处应力集中引起的木材破坏;木柱横纹开裂导致的破坏,XTDIC非接触全场应变测量系统可测定木结构梁的强度、抗压性能,以及T型木结构牢固度和植筋的质量。



加载初期,植筋结构节点的初始刚度较大,随着载荷的加大,位移持续增长,节点界面剪应力不断增大,当载荷达到极限时,节点下方在剪应力的作用下发生开裂,节点承载力逐步下降。



孔洞对木梁弯曲应变分布影响测试

在木结构中,含孔洞木梁既有结构开洞需要,也有木梁使用中因病害形成。孔洞对木材的力学性能有明显影响,使得木梁承载力不符合传统弯曲理论。采用数字图像相关法(DIC)进行四点弯曲测试,对木梁在纯弯曲变形过程中的应变分布,木梁中性轴位置及其偏移规律进行研究,为探究含孔洞木梁的弯曲力学性能和实际应用提供可靠数据。

核桃楸木材料分为4组:一组为无疵木梁;另2组均含有直径为5mm孔洞,孔洞位于木梁中心、木梁中心上方5mm处、下方5mm处。变形图像后经XTDIC 数字图像计算软件处理,输出木梁在不同加载阶段时中性轴、木梁中部纯弯曲关键区域应变场。


在轴向应变云图中,蓝色表示压应变区域,红色表示拉应变区域,绿色表示既不拉伸也不压缩的区域,黑色实线表示中性轴的位置。

1. 无瑕木梁

随着载荷增加,木梁压应变与拉应变分布发生变化,中性轴也逐渐向木梁下缘偏移,但中性轴始终位于形心轴附近,且沿长度方向近似为一条直线。

不同载荷时无疵木梁的轴向应变云图

2. 孔洞位于中心

孔洞位于中心的木梁,在加载过程中,孔洞周围会产生应力集中,削弱了木梁的承载力。孔洞改变了压应变与拉应变区域大小,应变分布不均匀,中性轴也逐渐向木梁下缘偏移。中性轴不再是一条直线,沿着梁的长度方向上变化,左右两边中性轴的位置接近形心轴,孔洞附近区域中性轴向下移动,远离形心轴。

不同载荷时孔洞位于中心的木梁的轴向应变云图

3. 孔洞位于受压区

孔洞位于受压区的木梁,在加载过程中,孔洞完全处于压应变区域,其周围产生了应力集中,使木梁的承载力明显削弱。随着载荷的增大,孔洞位于受压区的木梁的压应变区域不断增大,中性轴也逐渐向木梁下缘偏移。

不同载荷时孔洞位于受压区的木梁的轴向应变云图

4. 孔洞位于受拉区

孔洞位于受拉区的木梁,在加载过程中,孔洞完全处于拉应变区域,同样产生了应力集中。虽然应力集中削弱了木梁的承载力,但承载力受到削弱的程度不大。随着载荷的增大,孔洞位于受拉区的木梁的压应变区域不断增大,中性轴也逐渐向木梁下缘偏移,且中性轴的偏移距离在 3 种不同孔洞位置的木梁中*小。

不同载荷时孔洞位于受拉区的木梁的轴向应变云图

木材三点弯曲测试

将木质材料放在试验机上进行三点弯曲试验,直到达到规定的弯曲程度或发生断裂。采用新拓三维XTDIC三维全场应变测量系统进行图像采集,实时采集木质材料在三点弯曲过程中的位移变化。

XTDIC非接触全场应变测量系统

从XTDIC软件输出的位移应变云图来看,木质材料表现出较为明显的抗拉强度和脆性特性,加载一开始出现明显的线性,随着载荷增加,材料中间位置出现较大位移,当载荷达到峰值时,木质材料完全破坏出现断裂


对木质材料进行加载测试,结合XTDIC数字图像相关法测得受力状态下木质材料的抗弯强度和弹性模量,通过获取木质结构表面的应变分布云图和不同位置处的应变分布,对弯曲和断裂机理进行分析,有助于掌握木质材料力学性能和破坏的物理机制,提升木建筑结构整体牢固度和耐久性。



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