木材损伤断裂过程的声发射特性与Felicity效应

以2种针叶材、2种阔叶材为试材,研究无缺陷试件和含横纹裂纹试件在弯曲破坏过程中材料内部微结构演化的声发射特性,并利用声发射特征参数对几种损伤类型进行辨识.结果表明:1)无缺陷试件在加载初期声发射事件发展较为缓慢,且出现的主要是一些低振幅的AE信号,而大量高振幅AE信号出现在峰值载荷附近及韧性断裂阶段;2)利用声发射监测含裂纹试件在三点弯曲载荷下的损伤并断裂全过程,可以明显地识别裂纹尖端启裂和扩展的不同阶段;3)声发射信号的特征与损伤模式有关,胞壁断裂对应的AE特征为高幅值、高能量及长持续时间,而胞壁界面损伤与层裂损伤和细胞屈服与压溃损伤对应的AE特征为低幅度、低能量及短持续时间;4)木试件在低载荷水平下呈现Kaiser效应,而在高载荷水平下呈现Felicity效应,应用Felicity比能够较好地反映木结构的损伤程度.     

竹材横向断裂的物理模型与能量吸收机制:纤维束的断裂与抽拔

采用细观力学方法,研究竹材在横弯断裂过程中竹纤维束断裂与抽拔这2种损伤模式的能量吸收机制,并实际计算基本组织开裂、界面分层、竹纤维束断裂、竹纤维束抽拔4种损伤模式对竹材横弯断裂的增韧贡献。结果表明:1)不同组织结构在损伤演化过程中会因不同的能耗而具有不同的增韧贡献,在这4种导致竹材优良强韧性能的主要结构因素中,单位面积上纤维束拔出功对断裂功的贡献最大,其次是纤维束断裂;2)通过对试件的断裂总耗能试验值与按照4种损伤模型计算的耗能理论值进行比较,二者结果很接近,表明本文对竹材不同组织结构在横弯失效中的力学功能所建立的物理模型基本正确。     

含LT型裂纹木梁起裂载荷确定方法的试验研究

木材裂纹萌生的准确判定对木材损伤断裂的评估具有重要的意义,起裂载荷是标定裂纹萌生的关键参数。本试验以杉木为研究对象,利用声发射技术(AE)、数字图像相关法(DIC)和电测法(EM),对含LT型裂纹木梁的损伤断裂特性进行了试验研究。通过研究木梁在加载过程中声发射参数变化规律以及裂尖区域的表面应变信息的演变,分析木梁裂纹萌生规律并确定起裂载荷Pini。结果表明:声发射累计振铃计数、幅度可有效反映木梁内部损伤的产生和演化,利用声发射参数的变化规律能准确确定含LT型裂纹木梁的起裂载荷Pini;数字图像相关法、电测法可以实时监测木梁表面裂缝尖端区域的应变变化,根据应变演变特征可以有效监测木梁表面裂纹的萌生和扩展。声发射技术、数字图像相关法、电测法在确定木梁起裂载荷Pini方面有较好的适用性,所确定的起裂载荷大小为:电测法>数字图像相关法>声发射。试验结果为研究监测含LT型裂纹木材裂纹萌生的试验方法提供了依据,应用时可结合实际工况选择合适的测量方法。     

基于SHPB试验的桦木压缩动力学特性

【目的】利用木材动态压缩加载试验研究热磨机研磨解离破碎阶段木材原料受动态压缩载荷的动力学特性，并研究应变率、加载方向对木材原料动力学特性的影响，旨在深化木材原料研磨解离机制的研究，为热磨法纤维分离设备及磨片的齿形结构优化设计提供理论指导。【方法】利用 Hopkinson 杆试验装置对含水率为12.65%、密度为0.50 g·cm －3的桦木试件进行应变率约为400，800，1200 s －1，加载方向为径向、弦向和轴向的动态压缩试验，获得桦木在不同应变率及方向上动态压缩加载的解离特征、动态应力－应变曲线及相应的力学特性。【结果】对比分析各组试验后试件的破坏形态发现：1)当应变率约为400 s －1时，径向、弦向和轴向加载的试件主要发生塑性变形；2)当应变率约为800 s －1时，径向加载试件被解离成几大块，并且有一些“火柴棍”状的小试件从大试件上剥离；弦向加载试件沿加载方向上产生更大的塑性变形，并且在试件上、下两端处沿加载方向产生贯穿性裂纹，试件被解离成三大块；轴向加载试件受载面边缘处的纤维大量产生压溃现象，在加载面上产生贯穿性裂纹且有片状小试件从大试件上剥离；3)当应变率约为1200 s －1时，径向加载试件被解离成大量“火柴棍”状的小试件，并且小试件的尺寸明显小于应变率为800 s －1时；弦向加载试件沿加载方向上产生的塑性变形与应变率为800 s －1时相当，但是试件上端处被解离成许多片状的小试件，并且沿加载方向试件上产生了数条贯穿整个试件的大裂纹；轴向加载试件被解离成大量短粗状的小试件，并且小试件上带有明显的褶皱。对比分析各组试验试件的应力－应变曲线发现：1)动态压缩加载条件下桦木的应力－应变曲线可以由屈服点应变分为弹性阶段和屈服后弱线性强化阶段2部分；2)桦木沿径向加载应变率约为400，800，1200 s －1时，其屈服强度和韧性模量分别为4.56，10.49，14.22 MPa 和2.88，8.32，20.70 kJ·cm －3，应变率从400 s －1增加到1200 s －1时，屈服强度和韧性模量分别增加了2.11和6.19倍；3)桦木沿弦向加载应变率约为400，800，1200 s －1时，其屈服强度和韧性模量分别为5.87，7.90，9.65 MPa 和2.53，7.41，12.92 kJ·cm －3，应变率从400 s －1增加到1200 s －1时，其屈服强度和韧性模量分别增加了0.64和4.10倍；4)桦木沿轴向加载应变率约为400，800，1200 s －1时，其屈服强度分别为22.90，71.41，96.37 MPa 和18.79，67.74，114.32 kJ·cm －3，应变率从400 s －1增加到1200 s －1时，其屈服强度和韧性模量分别增加了3.21和5.08倍。【结论】随着应变率的增加，桦木的解离程度加大，径向加载最易解离，轴向加载最难解离；桦木的动态压缩屈服强度、动态压缩韧性模量具有很强的应变率敏感性，是一种应变率敏感材料。     

鱼鳞云杉TR型裂纹的演化与破坏模式

在环境扫描电子显微镜样品舱内低真空模式下,对鱼鳞云杉木材小试样进行垂直于纹理方向的原位拉伸试验,实时监测TR系统裂纹扩展的全过程.在生长轮层次上,TR裂纹以台阶式生长方式穿过早晚材;在细胞层次上,TR裂纹以劈裂模式在胞间层或接近胞间层处分离细胞.用数字散斑相关方法计算试件在破坏之前的位移场和应变场,定量地展示载荷传递的详细信息,证实具有非均质的木材的微、细结构对其力学性能的影响.结果表明:将环境扫描电子显微镜下的力学试验与数字散斑相关分析相结合的研究方法,可从本质上揭示木材的细、微观力学损伤机制.     

花绒寄甲与管氏肿腿蜂防治光肩星天牛效果初探

应用花绒寄甲和管氏肿腿蜂防治杨树光肩星天牛试验,结果表明:2种天敌对光肩星天牛均能起到很好的防治效果,联合应用效果更佳。在不同释放模式下,林间有虫株率均分别下降了20.84%~43.71%,其中联合应用区域有虫株率仅为37.5%,下降显著,较对照区有虫株率下降了52.5%。同时发现2种天敌对不同位置的寄主具有一定的选择性,其中对南向枝干上的寄主寄生几率最低。     

木材干燥后的裂纹与断裂

按照传统的强度理论，对干燥后用作建筑或农村房舍结构的木材进行校核和设计时，常忽视木材内部存在的初始干燥裂纹。本文阐述了木材的正交各向异性特征和其干燥后裂纹，以及裂纹时木材强度的影响，并结合木材正交各向特征时其裂纹与断裂力学行为的研究方法提出了初步的构想。     

昆虫对植物挥发性信息化合物的影响与利用

昆虫能影响、利用植物的挥发性信息化合物。昆虫通过取食时产生的口腔的分泌物改变植物挥发性信息化合物的释放,这种改变不同于由机械损伤诱导的改变,这两种情况下释放的挥发性信息化合物具有不同的生态学意义。昆虫对植物挥发性信息化合物的诱导释放具有系统性和群体性,并能利用寄主植物特有的挥发性信息化合物寻找适宜的行为场所,利用植物在不同诱因下挥发性信息化合物的改变避免昆虫种内、种间的生存竞争。研究昆虫对植物挥发性信息化合物的影响与利用,可以帮助人类寻找害虫的自然控制因子,探索环境友好型害虫防治途径。     

木构件裂纹特征及碳纤维浆料修复评价

为在不影响美观的前提下解决木构件狭小裂缝的修复问题,以木构件裂纹为研究对象,运用湿态流动性及渗透性较好的碳纤维浆料填充注入法对其进行修复,并对裂纹损伤修复性能进行评价,探索木构件裂纹损伤修复与增强的一种新的技术手段。结果表明:木构件自然开裂裂纹顺纤维方向产生,并沿径向向内发展且裂纹开口逐渐减小。裂纹壁面外侧平滑无毛刺,里侧存在细小纤维粘连。微观图显示裂纹断口清晰平整,大多发生轴向管胞胞间层间破坏,轴向管胞本身结构相对完整。外力作用引起的断裂裂纹壁面凹凸不平,部分存在不规则木纤维断裂薄层。微观图显示裂纹横穿轴向管胞细胞壁,多数轴向管胞被强行拉断,结构破损严重,断口粗糙。裂纹创面修复后构件的断裂峰值荷载和断裂能均有提高,其中,0.5 mm碳纤维浆料修复组最为显著,其峰值荷载及断裂能相对未修复组分别提高69.62%和107.02%。锯切法预制裂纹可释放木构件部分内应力,切口断面呈梯形,外层宽内层窄。预制裂纹中碳纤维浆料填充彻底,浆料与裂纹壁面结合牢靠。浸水处理及高温热处理均未导致裂纹修复创面出现分层或结合不牢的现象,裂纹中碳纤维浆料固化密实、稳定。     

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.     

Mode I interlaminar fracture property of moso bamboo (Phyllostachys pubescens)

Bamboo is a unidirectional fiber-reinforced bio-composite. Once having cracks, the delaminating propagation is not controlled by the strength but by the interlaminar fracture toughness. In this paper, the behaviors of Mode I (crack opening mode) interlaminar fracture parallel to grain of moso bamboo (Phyllostachys pubescens) were studied. Based on energy theory, the Mode I interlaminar fracture toughness, G _IC, was measured using the double cantilever beam specimens, and the fracture surfaces were examined under scanning electron microscope. The results show that: (1) the interlaminar fracture toughness of Mode I is the basic characteristic of bamboo material. The mean value of G _IC = 358 J/m² (coefficient of variation = 16.88%) represents the resistance arresting crack propagation. No significant difference was found for G _IC among the specimens located at different heights of the bamboo. (2) Due to the low G _IC of bamboo, the crack propagation parallel to grain developed easily. The crack was a self-similar fracture without fiber-bridging. On the fracture surfaces, smooth fibers and plane ground tissue were found at the extended area of Mode I fracture along the longitudinal direction. Under scanning electron microscope, it could be seen that the crack propagation developed along the longitudinal interface between fibers or ground tissue. It indicates that the longitudinal interface strength was weak among bamboo cells.     

竹节对竹材力学强度影响的研究

本文对毛竹和刚竹的带节材与不带节竹材的主要力学性质研究表明,带节竹材的抗弯强度、顺纹抗压、抗剪、抗拉强度和冲击韧性都有一定程度降低的趋向,但抗劈开强度和横纹抗拉强度却有明显提高。影响竹材力学强度的主要因素是维管束数量、维管束排列方向及维管束中纤维的力学强度,了解这些规律,对复合材料的结构仿生有重要参考作用。     

三种典型竹质工程材料纵向弹性模量评价

以重组竹、竹束单板层积材（BLVL）、竹集成材为代表的竹质工程材料受到越来越多的关注和应用。文中采用超声波法、自由横向振动法和力学法分别对上述3种典型竹质工程材料的纵向动态弹性模量（MOE）进行评价比较,结果表明,横向自由振动法能较为快速、准确和无损地评价出竹质工程材料的MOE,MOE的变异系数与其自身铺装结构有关;重组竹、BLVL和竹集成材的一阶共振频率分别为455.73、380.41和487.62 Hz;超声波在竹集成材的纵向上传播速度最快,重组竹其次,BLVL最慢;三点弯曲力学测试发现3种竹质工程材料的断裂模式不同,全顺向的重组竹为竹纤维拉断和界面剪切破坏,纵横组坯的BLVL为横向竹束拉断以及竹/木复合界面分层,而更多体现实竹性能的竹集成材为底层竹材维管束拉断和拔出破坏,其断裂载荷为重组竹> BLVL >竹集成材,而断裂位移为竹集成材> BLVL >重组竹。     

竹材梯度结构对弯曲力学性能的影响

竹材梯度结构对力学性能影响显著,尤其是在弯曲应力下,更呈现明显的非对称行为。文章对竹材梯度结构进行详细解析,提取了维管束形状、纤维鞘面积、维管束梯度变化规律等多个梯度因子,然后对其弯曲力学性能进行测试,解析竹材梯度结构因子与弯曲力学性能之间的关系,阐明梯度结构对弯曲力学的影响机制。结果发现,毛竹维管束沿径向梯度分布的曲线属于下凹型曲线,梯度分布指数n=2.28;从竹青到竹黄,维管束长径比呈现明显下降的趋势,靠近竹青侧的维管束长径比较大,靠近竹黄侧的维管束长径比较小,形状更趋近于圆形;对比了竹黄侧加载和竹青侧加载2种模式下的竹材弯曲力学性能,当竹青侧受压、竹黄侧受拉的情况下,竹材的弯曲韧性最好;当竹青侧受拉、竹黄侧受压的情况下,竹材的弯曲模量最大。     

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。     

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。     

线弹性断裂力学原理在木材中应用的特殊性与木材顺纹理断裂

阐述了线弹性断裂力学 (LEFM)的原理以及在木材中应用的特殊性 ,并以杉木和马尾松为研究对象 ,采用不同试样和方法测定了木材的顺纹断裂韧性KTLIC 。研究表明 ,建立在各向同性体之上的LEFM原理对木材裂纹顺纹扩张是适用的 ,其顺纹断裂韧性是木材的固有属性     

碳纤维增强聚合物 重组竹复合材的弯曲力学性能

重组竹已广泛应用于室内高档装饰、园林景观、室外防腐地板等领域,但重组竹的弹性模量比较小,为钢材的1/7~1/5,应用于建筑领域时难以充分发挥其自身高强度的特性。针对重组竹刚度较小的问题,提出一种重组竹板和碳纤维增强聚合物(CFRP)厚板嵌合粘接的新型重组竹复合材料,采用三点弯曲试验和有限元仿真方法,对CFRP 重组竹复合试件的失效模式、荷载 位移关系、应变曲线、胶层界面剥离影响等进行了研究。结果表明:重组竹试件失效模式是跨中位置处拉伸区域竹纤维断裂,且出现若干水平分层破坏,CFRP 重组竹复合试件的失效模式是CFRP与重组竹层间胶层出现大面积剥离;CFRP 重组竹复合试件的变形过程分为线弹性阶段和界面破坏阶段;CFRP可以明显提高重组竹梁的弹性模量和静曲强度,复合试件弹性模量是重组竹试件的2.33~2.94倍,静曲强度是重组竹试件的1.49~1.58倍;胶层界面剥离是CFRP 重组竹复合试件失效的重要因素,胶层界面剥离对复合试件的应变分布和挠度都有较大影响,完全剥离后试件的挠度是未剥离时的3.09倍。     

大跨度竹质方梁的制备与抗弯性能研究

为了探究木质材料在大型建筑应用的可行性,以竹材为原料,利用层积热压组坯的方式制备长度为3 m和6 m的竹质方梁,对其进行四点抗弯测试,观察其在测试过程中的弯曲变形及破坏特征,分析弹性模量、静曲强度,根据其破坏形式分析竹质方梁结构及组坯方式对其抗弯性能的影响。结果表明:6 m竹质方梁弹性模量达10261.24 MPa,跨中竖向位移至86.97 mm而不破坏;3 m竹质方梁静曲强度达85.51 MPa。竹质方梁破坏均出现在弯曲的受拉面,且裂纹通过竹节处、胶合界面以及竹纤维排布方向蔓延,这与竹材本身结构特性有关。通过对3 m和6 m竹质方梁抗弯实验及分析,以期为竹质方梁在大跨度下的应用提供数据支撑。