木材抗剪强度与分形维数的关系及断口特征

【目的】研究木材剪切断口的断裂特征、断裂方向和分形曲线特征，计算剪切断口的分形维数；测量木材抗剪强度，利用线性回归探讨木材横向、纵向抗剪强度与分形维数的关系。【方法】以生长在黑龙江的杉松、银白杨、樟子松、白桦和紫椴为试验树种，根据纤维板生产和《造纸木片》( GB/T 7909—1999)对木片原料的尺寸要求，按照《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》( GB/T 1929—2009)，制作5种树种的剪切试验试件。通过剪切试验，采集木材断口形貌特征，获得断口分形曲线，测量木材断裂时所需的力。【结果】横向剪切试件时，无论试件是否软化，都沿剪切方向呈曲线断裂，断裂面高低不平；未软化的针叶材以弯曲较大的曲线断裂，阔叶材以弯曲不大、稍平直的曲线断裂，断裂表面相对平滑一点；软化后的针叶材以弯曲不大的曲线断裂，阔叶材以弯曲稍大的曲线断裂，个别伴有撕裂痕迹。软化后纵向剪切试件时，试件沿剪切方向呈直线断裂；针叶材、阔叶材的断裂特征差异不明显。横向剪切试件断口分形曲线呈细小的锯齿状或“Z字状”，软化后试件剪切断口分形曲线比未软化的略显复杂；软化后试件纵向剪切断口的分形曲线没有软化前、后横向剪切断口的分形曲线复杂。5种试验试件剪切断口的分形维数在2.047～2.133之间。软化后试件横向抗剪强度最低，纵向抗剪强度大于未软化试件横向剪切强度。【结论】各树种试件软化后的纵向抗剪强度与其断口分形维数之间存在着正相关关系，但相关性并不显著；横向抗剪强度与断口分形维数之间线性正相关。软化后试件横向抗剪强度最低，此情况下剪切木材最易断裂，因此建议在研磨解离木片时，应使原料软化，沿着横向剪切，这样消耗能量较小。

Fracture Features and the Relationship between Wood Shear Strength and Fractal Dimension