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单板层积材力学性能与无损检测可靠性研究

薛冰  
【摘要】:为了考察单板层积材的力学性能与可靠性,本文运用了纵波传播法、纵向共振法、弯曲振动法等无损检测方法、复合材料力学分析、计算机模拟及静态力学试验等方法来进行研究。主要内容包括:不同压缩率的桦木、杨木、樟子松单板层积材、不同组坯的桦木与杨木单板层积材、不同单板厚度的樟子松单板层积材、不同环境相对湿度下杨木与樟子松单板层积材,建立单板层积材力学性能预测公式,探讨ANSYS程序分析单板层积材力学性能的可行性,分析了各种无损检测动态杨氏模量与静态弯曲弹性模量(MOE)及静曲强度(MOR)间的线性关系,分析了各种无损检测方法的可靠性与不同因素影响下单板层积材的结构可靠性。 在不同压缩率影响下单板层积材性能研究中,考察了压缩率对桦木、杨木、樟子松单板层积材力学性能的影响并分析了原因;在对单板层积材力学性能研究中,从复合材料力学角度分析单板层积材的力学性能;建立了单板层积材力学性能的计算公式;分析了树种、压缩率对单板层积材可靠性的影响,以及不同因素下不同使用工况的单板层积材结构可靠性。在不同组坯影响下单板层积材性能研究中,对杨木和桦木制作的单板层积材进行力学试验研究,主要研究不同组坯对单板层积材垂直加载的MOE与MOR的影响,共运用了复合材料力学、计算机模拟和静力学试验三种分析方法,运用了蒙特卡洛法对不同组坯单板层积材的可靠性进行了评估。在对不同单板厚度单板层积材性能研究中,考察了单板厚度对樟子松单板层积材力学性能的影响并分析了原因;分析了各种无损检测的动态杨氏模量与静态弯曲弹性模量及静曲强度间的线性关系;并研究了各种无损检测方法的可靠性。在不同环境相对湿度影响下单板层积材性能研究中,考察了环境相对湿度对杨木、樟子松单板层积材力学性能的影响并分析了原因:分析了环境相对湿度对各种无损检测的动态杨氏模量与静态弯曲弹性模量及静曲强度间线性关系的影响,运用模糊数学与经典数学对无损检测回归分析结果进行了对比分析。 本研究结果归纳如下: (1)对于不同压缩率单板层积材的研究表明:复合材料力学分析方法可用于压缩率对单板层积材力学性能影响的分析,运用分析得到的力学性能参数与单板层积材压缩率的关系式求得单板层积材力学性能指标MOE与MOR,其分析结果与静力学试验结果相接近。当压缩率不太大时,桦木、杨木和樟子松三个树种单板层积材的MOE与MOR随着压缩率的增长而增长,符合本文研究的力学模型;通过微观结构分析可知,当压缩率较大时,部分单板层积材在热压的过程中,由于压力作用部分细胞出现了压溃现象,使其力学性能降低。各树种单板层积材在不同压缩率时所表现出来的可靠性不一致,而加载方向不同时也不一致。 (2)对于不同组坯单板层积材的研究表明:运用复合材料力学、有限元分析程序及静力试验,对桦木与杨木不同组坯单板层积材的力学性能与可靠性进行了分析。每种组坯单板层积材的MOE与MOR理论分析结果、计算机模拟结果与试验结果都非常接近,复合材料力学与ANSYS软件分析适用于单板层积材的力学性能分析。在桦木与杨木单板用量相同的情况下,单板层积材的MOE是比较接近的,正常使用极限状态可靠性也较接近;桦木单板放置于顶底层的单板层积材强度要高于杨木单板置于顶底层的单板层积材强度,极限状态可靠性要大一些。 (3)对于不同单板厚度单板层积材的研究表明:运用弯曲振动(面内、面外)、纵向共振、纵波传播四种无损检测的方法,检测了单板层积材的力学性能。不同单板厚度樟子松单板层积材动态模量结果与静态弯曲弹性模量、静曲强度有密切线性相关性,垂直加载方向与平行加载方向的相关性系数都远大于相关系数1%分位的临界值,线性相关性最好的是与静力试验加载方向同向的弯曲振动检测方法。这四种无损检测方法均可用于樟子松不同单板厚度单板层积材的静态弯曲弹性模量、静曲强度检测。直接使用无损检测结果与弹性模量或静曲强度回归方程得到的力学性能指标结果并不可靠,选择回归分析的95%置信区间下限方程的可靠性有所提高,能够满足工程实际要求。樟子松单板层积材主要力学性能指标MOE与MOR均随着单板厚度的增大而降低。 (4)对于不同环境湿度下单板层积材的研究表明:将上述四种无损检测方法运用于不同环境湿度下的杨木、樟子松单板层积材力学性能的检测,除樟子松单板层积材垂直加载方向纵波传播无损检测方法外,其它杨木与樟子松单板层积材的每种动态杨氏模量结果与静态弹性模量或静曲强度之间的线性相关性较好,四种方法都可用于杨木或樟子松单板层积材的力学性能检测。各种无损检测方法结果回归分析的模糊贴近度与相关性系数大小变化是一致的,检验线性回归分析时贴近度可做为参考。单板层积材的力学性能都随着相对湿度的增长而降低,特别是相对湿度由60%增长到70%时下降最为明显;相对湿度由40%增长到70%时,杨木单板层积材的力学性能下降了21%-37%,樟子松单板层积材的力学性能下降了25%-41%。相对湿度对单板的强度有一定的影响,但是对于胶层的剪切强度没有明显的影响;相对湿度对单板层积材力学性能的影响主要因素来源于湿度影响下木材的力学性能变化。


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