CN105928761B - 基于回型试件的水凝胶材料单轴拉伸实验测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于回型试件的水凝胶材料单轴拉伸实验测量方法，包括步骤：1)制作回型水凝胶试件；2)安装回型水凝胶试件；3)拉伸实验，在实验过程中，用数字图像相关法记录试件两平行细长柱体中间部位即远离柱体端部处的变形，同时记录试验机上荷载的读数，实验后，结合数字图像相关法得到的试件应变，以及试验机上获取的荷载，获得PVA水凝胶材料准静态单轴拉伸实验的荷载‑位移曲线。本发明方法采用回型试件能够很好地解决水凝胶试件在试验机上的夹持问题，使水凝胶材料单轴拉伸实验能够顺利进行，且排除应力集中问题，试件的断裂点均匀分布。另外，还用数字图像相关法获得试件中部的变形，较准确地获得水凝胶材料单轴拉伸实验的实验数据。

Description

基于回型试件的水凝胶材料单轴拉伸实验测量方法

技术领域

本发明涉及水凝胶试件的单轴拉伸实验的技术领域，尤其是指一种基于回型试件的水凝胶材料单轴拉伸实验测量方法。

背景技术

单轴拉伸实验是测试材料力学属性的传统方法之一，可以较为简单又准确地得到材料的力学性能。单轴拉伸实验需要用夹具将试件固定到试验机上施加荷载。一般而言，传统夹具夹持试件两端，利用压缩产生的摩擦力防止试件滑移，使试件端部无相对滑动地跟随夹具产生轴向位移。由于试件端部除受轴向荷载外还有夹具所施加的横向荷载，试件端部最易破坏。为了试件能在中部断裂，测得材料在单轴拉伸荷载下的强度值，拉伸试件一般做成“狗骨头”型(或称“哑铃”型)。但水凝胶试件表面非常光滑，而且挤压过程中试件内部水分容易流出试件表面，进一步减小试件与传统夹具之间的摩擦系数，导致传统夹具难以稳固地夹持水凝胶试件。在实验过程中，试件端部与夹具极易发生相对滑移，使实验难以进行。另外，高含水率水凝胶材料的弹性模量非常小(1kPa-10³kPa)，传统夹具易给水凝胶试件端部带来巨大变形，哪怕做成“狗骨头”型试件也不能解决这个问题，这很可能使试件在实验前就已发生局部破坏，导致试件在端部断裂。其断裂时的应力并不能等同于材料的强度，因此不能得到水凝胶材料准确的强度值。

发明内容

本发明的目的在于克服以水凝胶为代表的软材料单轴拉伸实验的困难，提供一种基于回型试件的水凝胶材料单轴拉伸实验测量方法，该方法采用回型试件能够很好地解决水凝胶试件在试验机上的夹持问题，使水凝胶材料单轴拉伸实验能够顺利进行，且排除应力集中问题，试件的断裂点均匀分布。另外，还用数字图像相关法获得试件中部的变形，较准确地获得水凝胶材料单轴拉伸实验的实验数据。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：基于回型试件的水凝胶材料单轴拉伸实验测量方法，包括以下步骤：

1)制作回型水凝胶试件

包括两根平行的细长柱体，两柱体两端分别被半椭圆实体相连，相连部分有半圆形凹槽，即半椭圆实体靠近两平行柱体的端面中间形成有半圆形凹槽，试件一体成型且左右对称，两平行柱体为回型试件的主体部分，柱体中部的变形是单轴拉伸实验的重要数据；半椭圆实体用于连接两柱体，其上的半圆形凹槽与刚性挂钩接触，将试件固定于试验机上；此处须注意：为避免刚性挂钩勒断试件，半圆形凹槽的半径要大于柱体截面边长；

2)安装回型水凝胶试件

用两刚性挂钩穿过试件，分别卡在两半圆形凹槽处，再用夹具夹持刚性挂钩另一端，挂钩直径与凹槽直径需相同，这样，回型水凝胶试件就会被固定于试验机上；

3)拉伸实验

实验过程中，用数字图像相关法记录试件两平行细长柱体中间部位即远离柱体端部处的变形，同时记录试验机上荷载的读数，由于两根圆柱体同时受到相同的荷载，且形状相同，材料相同，因此变形也相同，每根圆柱受到的荷载为试验机上读数的一半；实验后，结合数字图像相关法得到的试件应变，以及试验机上获取的荷载，获得PVA水凝胶材料准静态单轴拉伸实验的荷载-位移曲线。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

本发明很好地解决了水凝胶材料由于太过光滑且弹性模量太小所导致的难以夹持固定到试验机上的问题，使水凝胶材料的单轴拉伸实验能够顺利进行，得到较精确的应力-应变数据，包括弹性模量以及强度，能更好地了解水凝胶材料的力学性能。

附图说明

图1是回型水凝胶试件的外形示意图。

图2是回型水凝胶试件被刚性挂钩固定于试验机上的示意图。

图3是回型PVA水凝胶试件被刚性钩子固定于试验机上的实物图。

图4是回型PVA水凝胶试件单轴拉伸加载后的断裂形态实物图。

图5是回型PVA水凝胶试件单轴拉伸实验过程中拍摄的照片之一，该照片用于计算试件的应变。

图6是回型PVA水凝胶试件单轴拉伸实验后，计算出的左柱体与右柱体应变的对比。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

本实施例所述的基于回型试件的水凝胶材料单轴拉伸实验测量方法，其情况如下：

实例试件为PVA(聚乙烯醇)水凝胶(含水率约为80％)材料。试件外观似被拉长了的“回”字，形似橡皮筋，且左右对称，如图1所示，具体如下：两根平行细长柱体长50mm，截面边长2mm，相距10mm；柱体上下两端分别由半椭圆实体相连，半椭圆的长半轴为15mm，短半轴为7mm，厚2mm；半椭圆实体靠近两平行圆柱的端面中间形成有半圆形凹槽，凹槽半径为5mm。

实验前，试件两平行细长柱体分别涂上红色印泥。用刚性挂钩穿过试件两端，卡在半圆形凹槽处，挂钩半径需与半圆形凹槽相同。挂钩另一端用传统的夹具稳固夹持在试验机上，如图2所示，实物如图3所示。

实验过程中，使用图像传感器获取两平行细长柱体中间部分(远离柱体端部)的图像，并同时获取试验机上荷载的数据。根据圣维南原理，柱体中部可忽略边界效应，其变形仅由单轴拉伸荷载引起。试验机施加的荷载同时作用于两根材料和形状皆相同的柱体上，每根柱体受到的荷载相同，为试验机荷载读数的一半。图4是加载后试件的断裂图，断裂点在试件的中部，符合拉伸实验测量材料强度值的要求。

实验后，结合数字图像相关法得到的试件应变，以及试验机上获取的荷载，可较精准地获得PVA水凝胶材料准静态单轴拉伸实验的荷载-位移曲线。图5是实验过程中拍摄到的其中一张照片，此照片用数字图像相关法可得到试件的应变。图6是试件左右两根平行柱体应变的对比，可看出左右两边应变大致相等。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于回型试件的水凝胶材料单轴拉伸实验测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制作回型水凝胶试件

包括两根平行的细长柱体，两柱体两端分别被半椭圆实体相连，相连部分有半圆形凹槽，即半椭圆实体靠近两平行柱体的端面中间形成有半圆形凹槽，试件一体成型且左右对称，两平行柱体为回型试件的主体部分，柱体中部的变形是单轴拉伸实验的重要数据；半椭圆实体用于连接两柱体，其上的半圆形凹槽与刚性挂钩接触，将试件固定于试验机上；为避免刚性挂钩勒断试件，半圆形凹槽的半径要大于柱体截面边长；

2)安装回型水凝胶试件

用两刚性挂钩穿过试件，分别卡在两半圆形凹槽处，再用夹具夹持刚性挂钩另一端，挂钩直径与凹槽直径需相同，这样，回型水凝胶试件就会被固定于试验机上；

3)拉伸实验

实验过程中，用数字图像相关法记录试件两平行细长柱体中间部位即远离柱体端部处的变形，同时记录试验机上荷载的读数，由于两根圆柱体同时受到相同的荷载，且形状相同，材料相同，因此变形也相同，每根圆柱受到的荷载为试验机上读数的一半；实验后，结合数字图像相关法得到的试件应变，以及试验机上获取的荷载，获得PVA水凝胶材料准静态单轴拉伸实验的荷载-位移曲线。