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木竹复合材料动态力学性能尧物理性能试验研究分析

杨家富  
【摘要】:木竹复合材料的研究开发促进了竹类资源的优化利用和竹产品性能提高和用途的扩大,在一定程度上缓解了由于天然林保护工程带来的木材供应短缺。竹材强度高、韧性好、耐磨,但经级小、出材率低、加工难度大且效率低,人工速生林树种(杉木、杨木等)加工容易、效率高、机械强度差、表面硬度低,木竹复合材料将这两种材料通过科学合理组合形式和胶合工艺,有效地发挥竹材和木材各自特性。本研究从材料设计观念出发,提出木竹复合材料主动设计思想。从组分材料性能试验分析入手,结合生产工艺,提出强度预测模型,基于模态分析技术对木竹复合材料板动态特性进行试验研究,用PULSE对组分材料及木竹复合材料吸声性能进行测试研究。 木竹复合材料产品设计的特点是结构设计与材料设计同时进行,不同的组分比得到不同性能复合材料。为了研究组分材料纵向、横向弹性性能,强度性能(拉、压)以及正交性对力学性能的影响,通过正交试验的方法,在常态、常态受压、浸渍塑化状态下对木/竹复合材料组分材料杨木单板和竹片进行拉伸性能和弯曲性能的试验研究。研究表明常态下杨木单板的纵向拉伸强度和弹性模量随厚度增加而增大,呈现一定的非线性关系;受不同压力作用后的杨木单板的纵向拉伸强度和弹性模量与压力不存在正比的关系,甚至随着压力的增大,单板弹性模量值会减小,纵向拉伸强度随压力增大呈上升趋势;常态受压情况下不同厚度的杨木单板纵向拉伸强度和弹性模量、弯曲弹性模量和弯曲强度随压力的增加而增加,呈二次抛物线关系;浸渍塑化塑化杨木单板的各项纵向拉伸性能较常态受压杨木单板的各项拉伸性能有了较大的提高。纵向拉伸弹强度和弹性模量、弯曲弹性模量和弯曲强度都与塑化压力呈非线性关系,经回归分析分别得到成二次抛物线关系;横纹拉伸强度小于5MPa,横纹弯曲强度值在几兆帕到十几兆帕之间,说明杨木单板的横纹抗拉性能和抗弯曲性能较差。 在了解组分材料的弹性性能的基础上,进行有效弹性模量的预测。木竹复合材料是一种层叠结构,视为均匀正交各向异性材料。基于经典层合板理论,分析推导了木竹复合层合板梁的纵向有效弹性模量预测模型;根据最小势能原理,推导出木/竹复合层合板梁弯曲强度模型,利用等效梁原理,求出木竹复合层合板梁弹性模量模型。将一定工艺条件下单板的拉伸弹性模量值和弯曲弹性模量值代入模型进行计算,从计算结果可以看出,拉伸弹性模量时的计算结果比实测值小9.93%,弯曲弹性模量的计算结果比实测值大4.84%。 运用模态分析理论和梁的横向弯曲自由振动理论对木/竹复合材料板的动态特性进行分析研究,基于横向弯曲振动梁理论的两种计算模型:Euler-Bernoulli梁和Timoshenko梁的横向弯曲自由振动微分方程推导出它的频率方程和动弹性模量表达式。通过分析对比,采用脉冲激励法对木/竹复合材料板的动态特性进行研究,基于CRAS V5.1软件分析得出这种新型复合材料的模态参数(固有频率、阻尼比)、动态弹性模量、物理参数及非参数模型,并与共振法和三点弯曲法进行对比研究,为木/竹复合材料的进一步研究应用提供试验依据和参考。 以杨木单板和竹木复合板为研究对象,采用BK公司生产的专业的PULSE声学测试系统,通过吸声系数测试,分别对杨木单板和竹木复合材料板的性能进行了研究。研究表明不论是杨木单板还是竹木复合材料板,高频吸声性能比低频吸声性能好,杨木单板的中高频吸声系数明显优于低频吸声性能,厚度对材料的中高频吸声系数影响较大,在所选厚度范围内,厚度越小,吸声系数越大,吸声频带就越宽,吸声能力越强,对于竹木复合材料板,吸声系数极小,说明木竹复合材料不适宜作为吸声材料。


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