针叶材瞬态温度场的有限元数值仿真

给出木材瞬态热传导分析的基本理论,针对木材的热各向异性,利用有限元方法,对木材瞬态温度场进行有限元分析和计算,获得加热过程中木材温度场的分布与变化规律.试材选取帽儿山落叶松,仿真和试验结果表明将该方法用于细胞排列规则的针叶材是可行的,有限元计算结果与试验测量结果接近.     

复配碱液处理榆木顺纹压缩应力-应变本构关系

采用复配碱液处理榆木后,对榆木的幼龄材和成熟材顺纹压缩,通过建立的榆木顺纹压缩应力-应变本构关系得出:在榆木顺纹压缩初始阶段,符合线形的弹性虎克定律;在弹塑性阶段,也基本符合线形的力学关系。分析榆木幼龄材在顺纹压缩中体现出较大的差异性、顺纹压缩弹性模量和应力、应变的原因是木材化学组分的降解和抽出;得出复配碱液处理后木材顺纹压缩弹性、弹塑性变化的基本规律,木材在弹塑性阶段呈一段平滑的曲线,细胞壁在此阶段形成褶皱。     

木材多尺度结构差异对其破坏影响的研究进展

木材多尺度结构主要包括纳米级高分子结构、微米级细胞壁多层结构和毫米级生长轮结构。纳米级高分子结构中三大素(纤维素、半纤维素和木质素)性质各异,微米级细胞壁多层结构中细胞壁各层三大素含量和微纤丝角不同,毫米级生长轮结构中细胞类型、大小和排列方向存在差异,这些结构差异均会导致多尺度结构单元之间的力学性质各异。木材破坏过程主要包括初始裂纹萌生和裂纹扩展,裂纹萌生和扩展主要由木材不同尺度单元间结构和力学性质的差异以及木材内部缺陷的不规则演化决定。本研究综述木材不同尺度单元间的结构和力学性质差异,并分析结构差异对木材破坏的影响。同时,提出今后有关木材多尺度结构差异对其破坏影响研究的几点建议:1)深入解译木材微纳结构的性质差异,研究木材三大素的排列取向规律以及木材不同化学组分对外部载荷的响应差异,揭示壁层内三大素的变形机制;研究细胞壁各层化学组分分布以及微纤丝取向不同导致的力学性能差异,分析外载荷作用下各壁层之间存在的应力传递规律; 2)研究不同载荷作用下木材生长轮结构和细胞壁结构的裂纹萌生和扩展规律,精准定位木材破坏过程中不同尺度结构的裂纹萌生位置,区分裂纹在不同木材组织内部扩展时破坏断面的细胞破坏模式; 3)借助有限元分析等理论方法,研究木材不同尺度单元间结构差异对木材生长轮结构和细胞壁结构上应力分布规律和应力集中位置的影响,揭示木材多尺度结构差异对木材破坏的影响机制。     

基于极半径傅立叶子的木材细胞轮廓描述方法

针对木材显微图像的特点,运用极半径函数的傅里叶描述子对木材显微图像中细胞、管孔进行边界描述,并将细胞与管孔加以区分。根据管孔有无将木材分为针叶材和阔叶材两大类,再分别进行细胞参数统计以作为树种判别依据。     

水溶性乙烯基单体改性木材尺寸稳定性提高机制

【目的】分析水溶性乙烯基单体改性前后木材极性基团数量和细胞壁结构变化,揭示水溶性甲基丙烯酸-2-羟乙酯(HEMA)和N-羟甲基丙烯酰胺(NMA)原位共聚改性木材尺寸稳定性提高机制,为该改性技术优化发展提供理论基础。【方法】采用动态水蒸气吸附和接触角表征水溶性乙烯基单体改性前后木材极性基团数量和表面极性变化,利用扫描电镜、拉曼光谱、X射线衍射、压汞法和氮气吸附系统研究改性剂在木材中的分布、细胞壁润胀、细胞壁两相结构以及孔隙变化情况。【结果】在相对湿度0%～95%环境下,HEMA和NMA改性材的平衡含水率明显低于未改性材;当相对湿度达95%及以上时,改性材的平衡含水率超过未改性材。利用H-H模型拟合分析浸水处理后改性材与未改性材的吸湿曲线发现,改性材原有极性基团数量有所下降但并不显著。接触角测试表明,改性材的表面极性大于未改性材,残留单体去除后改性材的表面极性弱于未改性材,残留单体可抑制木材疏水性能的改善。SEM观察结果显示,改性后细胞壁显著增厚,且细胞间隙减少。拉曼光谱分析得出,改性剂均匀分布于细胞壁中,结合SEM结果可知改性剂能够顺利进入细胞壁并润胀细胞壁。X射线衍射分析表明,改性材未出现新的晶体结构,且改性材的结晶度相对于未改性材变化较小。压汞法和氮气吸附测试表明,改性材的孔隙率相对于未改性材出现较显著下降,改性剂可成功填充细胞壁孔隙。【结论】HEMA和NMA改性木材可有效提高其尺寸稳定性,改性剂对细胞壁的充分润胀、加固及对细胞壁孔隙的填充作用是木材尺寸稳定性提高的主要原因。     

基于有限元法超细木粉的力学分析

超细木粉属于微纳米木粉,将其填加到复合材料中可使复合材料的性能得到改善。依据超细木粉粒径的大小和木材细胞的结构特点,分析在加工超细木粉过程中必须进行细胞的破壁力计算,并以针叶材细胞的微观结构为受力分析依据,建立单一细胞受力模型。用四根铰接桁架杆单元来模拟细胞外壁,用两根交叉铰接桁架杆来模拟细胞内压力,即用六根桁架杆单元结构模拟单一针叶材细胞。对单一细胞模型外施均布载荷分析各杆单元的受力、变形及压溃情况,利用结构力学和有限元法分别对单一细胞和多细胞状态下进行模拟受力分析。将其结果作为设计超细木粉机加工刀具的理论依据。     

基于随机有限元法的木材断裂参数的研究

引用简化的罚函数本构方程，完成幂律非线性随机有限元方法，将随机有限元方法引入木材断裂力学。考虑到裂纹尺寸的随机性，根据J积分的变化率以及J—K的关系计算出木材强度因子的变化曲线。为验证其可行性．进行相关实验，木材强度因子的测试曲线具有相同的变化趋势，误差在同一个标准差内，从而证明采用随机有限元方法对木材的断裂特性进行计算和预测是可行和适用的。     

马尾松木材微波脱脂:模型构建与求解

较系统地分析微波脱脂过程中,马尾松木材泌脂细胞的受力状况,初步建立微波脱脂理论预测模型,并对微波脱脂实施的临界温度条件进行数学模拟.结果表明:在微波脱脂过程中,泌脂细胞壁内将出现周向和轴向应力,其中周向应力是轴向应力的2倍;在初始阶段,细胞腔内压强显著增加,但细胞壁伸长比增加缓慢,当内压增加到一定程度后,其变化逐渐趋于平缓,但伸长比却急剧增加,出现"屈服"现象,直到泌脂细胞破坏;在微波脱脂过程中,要获得良好的脱脂效果,木材最小的临界温度应控制在134.0～140.2℃范围内.     

木材裂纹尖端应力场的有限元分析和开裂方向预测

以鱼鳞云杉木材三点弯曲试件为例,应用ABAQUS有限元软件分析裂纹体与木材顺纹向倾角分别为90°,60°,30°,0°时的应力场,并采用"切向比正应力准则"对裂纹的启始开裂方向进行预测.结果表明:1)以裂尖为中心作径向平面,4种裂纹体试件的最大Mises应力所在的径向线均沿着木材的顺纹理方向;2)在除去裂尖奇异点以外的一个较大区域中,垂直裂纹表面的拉应力σY和平行裂纹表面的拉应力σX的比值σY/σX几乎是一个常数,在1～5之间;3)无论初始裂纹与木材顺纹向的夹角如何,其裂尖处的切向比正应力(R)均在顺纹方向上最大,理论预测和试验结果均表明裂纹将折向顺纹方向启裂.最后讨论木细胞间的低界面强度对木材的增韧作用.     

预冻及压缩预处理对尾巨桉干燥特性的影响

桉木在干燥过程中极易发生皱缩,使木材降等严重甚至报废,有效地解决桉木干燥皱缩问题是桉木资源高附加值实木化利用的重大难题之一。对桉木进行适度的预处理能够改变其内部细胞的微观结构,形成新的水分迁移通道。以尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis)为试材,对其进行预冻、压缩及预冻-压缩预处理,然后进行常规干燥,研究预处理条件对桉木干燥速率、干燥应力应变及皱缩特性的影响。结果表明:3种预处理条件都能有效提高桉木的干燥速率,其中,预冻-压缩预处理后试件的干燥速率提高20%,幅度最大。预处理材与未处理材残余应力指标变化趋势一致,干燥后期预处理材指标值小于未处理材,残余应力小。3种预处理方式都不同程度地改变了细胞壁微观构造,破坏了皱缩发生的条件,抑制了木材的干燥皱缩。其中,预冻-压缩预处理材全干缩率最大减少15.8%,抑制木材皱缩效果最为显著。预冻-压缩预处理能够改变木材的微观结构,改善了木材的干燥特性,是一种有效抑制木材干燥皱缩的预处理技术。     

Variability of fracture toughness by the crack tip position in an annual ring of coniferous wood

The effects of the location of the crack tip in an annual ring and the direction of crack propagation on the fracture toughness of the TR crack propagation system of coniferous wood (T, direction normal to the notch plane; R, propagation direction) were analyzed by the finite element method in regard of the changes in elastic modulus and strength within an annual ring. The critical point of the fracture was defined as the state where the stress of a square element (0.125 × 0.125 mm) in contact with the crack tip equals the tensile strength. The distribution of specific gravity was measured by soft X-ray densitometry. The elastic moduli in the T and R directions were estimated by the sound velocity. The tensile strengths in the T and R directions were measured by the tensile test using small specimens of l mm span length. Regarding the variability of fracture toughness (K _IC), the experimental and calculated results had the same tendency. Therefore, it was concluded that the variability ofK _IC is caused by the (1) heterogeneity of the elastic modulus and strength within an annual ring; and (2) changes in the degree of stress concentration at the crack tips, according to the direction of crack propagation.Part of this work was presented at the 40th annual meeting of the Japan Wood Research Society, Tsukuba, April 1990 and at the 6th International Conference on Mechanical Behavior of Materials, Kyoto, July 1991     

Failure in timber part 3: The effect of longitudinal compression on some mechanical properties

Summary Experimental data from a series of experiments indicate that the existence of compression damage in timber has a pronounced effect on its toughness, considerably less effect on its tensile strength, and almost no effect on its bending strength. Whereas the toughness of dry timber was reduced by up to 40 per cent at high levels of precompression, toughness of green timber actually increased by up to 37 per cent. The reduction in tensile strength was greater for individual cells and thin sections than for solid timber. The results are discussed in terms of slip plane development and behaviour, and the practical significance of compression damage is emphasised.     

竹材断裂特性研究进展

随着竹材在建筑行业应用领域日趋广泛,其断裂特性成为安全设计考虑的重要因素。文中简要综述了近年来国内外在竹材断裂韧性测试和断裂机理研究方面的主要进展,并着重强调应借鉴国际生物材料界从生物材料分级结构角度研究材料增韧机制的理念,从宏观、组织和细胞水平及分级界面的角度来定量揭示竹材的增韧机制。     

湿地松15个家系木材材性遗传变异及优良家系评估

对浙江产湿地松15个家系的基本材性进行了测定与分析。结果表明：家系间管胞长度、管胞宽度、气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度差异极显著,管胞壁厚差异显著,胞壁率、冲击韧性差异未达显著水平。家系内管胞长度、管胞宽度、管胞壁厚差异均显著且高于家系间的差异,但气干密度、顺纹抗压强度、胞壁率和冲击韧差异不显著,表明在家系水平上进行木材气干密度、力学强度和管胞形态的家系选择可取得良好的效果。15个家系木材管胞长度、管胞宽度、管胞壁厚和胞壁率的广义遗传力分别为0．5466、0．3910、0．7173、0．1598,说明湿地松家系木材管胞性状(胞壁率除外)受中度或中下度遗传控制,通过一定强度的选择能获得较高的遗传增益。综合评定结果表明,04-28、06-17、06-20、08-7和08-9,5个家系为适用于培育纸浆材的优良家系,04-25、04-28、06-17、06-20和08-16,5个家系为适用于培育建筑材的优良家系。     

木材横纹理断裂及强度准则

以杉木为研究对象从宏观和微观上研究了木才横纹断裂的性质，并阐述了木才的强韧机理。研究表明：木材横纹Ⅰ型裂纹扩展方式是先沿纤维开裂伸展，然后再沿横截面作韧性断裂，其扩展过程分线性、稳定和非稳定性3个阶段；顺纹启裂时的断裂韧性与试件尺寸无关，是木材的固有属性；木材因其多胞及纤维增强的多层胞壁结构，而具有很强的抗横断韧性，不会因裂尖应力奇异性而发生低工作应力破坏，故在对含横纹理裂纹的木构件作安全设计时，建议仍采用传统的强度准则，考虑净尺寸上的常规强度即可。     

不同湿地松种源木材材性遗传变异的研究

本文对浙江省长乐林场的湿地松 (Pinuselliottii) 18个种源的木材性质进行测定与分析。结果表明 ,种源间木材气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度差异极显著 ;管胞长度与宽度、冲击韧性差异显著 ,而管胞壁厚及胞壁率差异不显著 ;种源内木材气干密度、力学强度及胞壁率差异不显著 ,管胞长、宽和壁厚的差异均显著且高于种源间的差异。实验结果表明在种源水平上 ,进行木材气干密度、力学强度和管胞形态的种源选择 ,可取得良好的效果 ;种源内个体管胞形态 (管胞长、宽和壁厚 )变异大于种源间的差异 ,表明湿地松种源材质改良如在种源选择基础上进行个体改良会取得更好的增益。 18个种源木材管胞长度及宽度、管胞壁厚、胞壁率的广义遗传力分别为 :0 36 15、0 5 993、0 74 73、0 16 98;木材气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度与冲击韧性的广义遗传力分别为 :0 4 14 2、0 2 6 4 6、0 10 82、0 2 977和 0 12 4 6 ;种源树高及胸径的广义遗传力为 :0 4 0 5 7和 0 4 74 7;说明湿地松种源木材管胞性状、木材气干密度及树木生长性状 (胞壁率除外 )受中度或弱度遗传控制 ,通过一定强度的选择 ,能获得较高的遗传增益。本研究还从树木生长性状与管胞形态、力学强度方面对 18个种源进     

交错层积竹板抗弯承载力计算方法

为研究并验证交错层积竹（CLB）板的抗弯承载力的计算方法,采用正交胶合木构件的抗弯承载力计算方法,计算了交错层积竹板的最大破坏拉应力,并与基于2组CLB板四点弯曲试验所得的试验结果进行对比。结果表明,采用《木结构设计规范》、机械连接梁理论和复合理论计算的交错层积竹板的最大破坏拉应力与试验所得结果的差异均在10%以内,其中基于《木结构设计规范》和复合理论的计算方法计算出的交错层积竹板的最大破坏拉应力与试验所得结果的差异在5%以内,可以用作CLB板抗弯承载力的计算方法。     

毛竹笋,材加工剩余物的饲用价值

对毛竹笋、材加工剩余物作为反刍动物饲料的营养价值进行研究表明，竹笋加工剩余物营养价值较高，可直接或经适当处理后用作饲料，竹材加工剩余物因蛋白质含量低，木质素含量高，直接作为饲料的营养价值不及作物秸秆。由于竹材加工剩余物中含有３／４的碳水化合物，故具有作为反刍动物饲料的潜在价值。对竹材加工剩余物进行氨化处理，可明显提高粗蛋白含量，并使质地变得松软，而竹材加工过程中的高温蒸煮、切削加工和烘干处理等，可破坏其细胞壁，使碎料膨松柔软，降低了粗纤维含量，作为食物纤维素定量的ＮＤＦ、ＡＤＦ和木质素值均有不同程度下降。     

Failure analysis of laminated timber beams reinforced with glass fibre composites

Summary A qualitative analysis is presented of failure, perpendicular to the grain, in laminated timber reinforced with a glass fibre composite. The study is focused on beams with holes of different shape. The stress by corners, infinitesimal cracks and finite cracks are investigated. An initial crack model is suggested that brings about some of the phenomena observed in earlier performed experiments. A crack appears to propagate in the wood but is retarded in the reinforced beams. Eventually, the composite will fracture and failure of the beam follows. Finite element computations suggest that the reinforcement decreases the stress intensity at cracks in the wood and acts as a crack stopper. The reinforcing effect increases with the crack length. A point stress criterion is used to predict failure in the fibre composite.     

On mechanical behavior of traditional timber shear wall in Taiwan II: simplified calculation and experimental verification

In the previous report of this ongoing study, results of an extensive field survey were collated and a theoretical model was proposed to predict the mechanical behavior of timber shear walls of traditional design in Taiwan. The initial objective of the present report was to propose a simplified calculation method for estimating the initial stiffness and yield strength of traditional timber shear walls. Based on the results of the field survey, a total of 15 full-scale specimens were tested to verify the theoretical model and simplified calculation proposed previously. Good agreement was found from comparison of analytical and experimental results. The results of this study show that the friction behavior between board units and beams plays the major role in resisting the lateral force applied on the timber shear wall, followed by the resistance supplied by embedment. The resistance provided by bamboo nails is minor due to the small section. Another trend found was that for set dimensions of a timber shear wall, the board width can be increased to obtain higher stiffness and strength of the shear wall.