精密扭秤装置的改进及其在单纤维扭转力学性能测量中的应用

作     者：胡建辉 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘大彪

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：扭秤 自准直原理 挠性枢轴 柔性纤维 扭转失稳 

摘      要：近三十年来,随着微/纳机电系统(MEMS/NEMS)的广泛应用,小尺度材料力学行为的研究引起了人们的广泛关注。MEMS和NEMS所使用的材料不仅包括典型的硅基微电子材料,还包括各种金属与聚合物材料。对于聚合物纤维扭转失稳现象的研究成为力学与材料科学领域的热点问题。本文基于精密扭秤实验原理,研制了两种面向微尺度材料扭转力学性能表征的新型测试装置,对典型柔性纤维的扭转失稳现象进行了定量表征与分析,主要成果包括:(1)研制了基于静态扭秤和自准直原理的高分辨率微扭转测试装置。该装置采用扭丝作为弹性元件表征试样的扭矩,利用非接触式光电自准直仪测量扭丝的转角,采用原位振动的方法标定扭丝的扭转刚度系数。基于Lab VIEW软件开发了扭转实验测试系统,实现精确地自动化测量。装置的分辨率为8.48×10N·m,量程为6.78×10N·m,全量程精度为±2%5.。使用该装置对玻璃纤维、碳纤维、聚酰亚胺纤维和金丝等典型材料进行了扭转力学性能测量,获得了其扭矩-转角曲线,实验结果具有良好的复现性。(2)研制了基于挠性枢轴和光电自准直仪的原位微扭转测试装置。该装置采用挠性枢轴作为扭矩传感元件,使用光电自准直仪测量挠性枢轴的转角,采用静态加载法对传感器进行标定,并基于有限元方法对挠性枢轴的弹性变形进行了分析。该装置具有良好的同轴度和稳定性,能够承受较大的轴向载荷,并可以实时监测试样的变形。装置的分辨率为1.02×10N·m,量程为8.59×10N·m,全量程精度为±0.2%。利用该装置对尼龙6纤维进行扭转力学性能测试,结果的重复性小于2%,验证了装置的可靠性。(3)在不同轴力作用下,对一系列直径的尼龙6纤维进行了扭转测试,得到了其一次失稳和二次失稳的临界扭矩。结果表明,纤维的临界扭矩随着轴力的增大而增大。利用实验结果对Timoshenko、Ross和Dwivedi三种失稳模型进行了评价,表明三种模型的理论预测结果与实验测量结果吻合较好。为了定量描述理论模型的拟合优度,通过决定系数公式进行了分析,发现在预测二次失稳的临界扭矩时,Dwivedi模型要优于Ross模型。