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纤维板断面密度分布优化控制技术及力学性能预测模型

张扬  
【摘要】:断面密度分布是纤维板的一个重要结构特征,影响着板材物理力学性能,成为连接生产工艺与物理力学性能之间的关系纽带。研究生产工艺、断面密度分布及板材物理力学性能之间的相互关系,建立基于断面密度分布的纤维板结构优化和性能控制体系,对优化生产工艺、提高板材强度、充分发挥材料性能有着重要意义。 本论文通过研究传统热压工艺和“板坯预处理—热压”联合工艺下制取的板材断面密度分布形状特征、形成机理及模拟模型,建立各工艺参数与纤维板断面密度分布之间的关系模型,研发出密度分布均匀的纤维板(均密纤维板)和“U”型断面密度分布纤维板的制造工艺,对比研究了不同断面密度分布类型纤维板的力学性质;在微观分析纤维板纤维排列特征的基础上,综合利用薄板层合理论、弹性力学及强度理论,建立纤维板三点加载弯曲过程中截面应力分布模型、弯曲破坏机理及破坏类型的判定模型、弹性模量及静曲强度预测模型。 通过上述研究,本论文的主要结论如下: 1.可以用表面低密度区厚度率、表层密度差异率、芯层密度差异率、芯层厚度率来量化纤维板的断面密度分布;板坯含水率和高压压力为影响表层密度差异率和表面低密度区厚度率的主要参数,含水率和一次降压压力为影响芯层密度差异率和芯层厚度率的主要参数;利用综合分析法得出在传统热压曲线下制造“陡平型”和“平坦型”断面密度分布纤维板的优化工艺,采用该工艺制取的板材符合预期目标,但仍难以达到消除表面低密度区和均匀化芯层密度的目的。 2.建立了由板坯含水率、预压温度、预压时间为参数的板坯预热过程内部温度预测模型,该模型预测值与实测值的R2在0.81以上,能较精确的预测预热过程中芯层温度变化;采用经预压、预热、表面增湿及热压的“板坯预处理—热压”联合工艺可以制取较为理想的均密纤维板、“U”型断面密度分布纤维板,达到基本消除表面低密度区和均匀芯层密度分布的目的;可以用表层密度差异率、芯层密度差异率及均匀芯层厚度率量化“板坯预处理—热压”联合工艺下制取的纤维板断面密度分布;基于板坯预热过程板坯内部温度预测模型、断面密度分布量化因子与板坯预处理后的芯层温度之间的关系模型,建立了断面密度分布量化预测模型。 3.断裂破坏和剪切破坏是纤维板弯曲破坏的两种基本类型,存在由板材最低密度、最高密度及截面密度惯性矩决定的弯曲破坏类型判定系数K,当K1时发生断裂破坏,当K1时发生剪切破坏;弯曲强度不仅与板材的平均密度、最高密度及最低密度有关,而且与截面密度惯性矩密切相关,建立的由板材的断面密度分布量化因子组成的纤维板弹性模量及静曲强度预测模型,该模型的预测值与实测值的差异率小于14%。


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