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。     

木材细胞壁力学性能与细胞壁组分和构造的相关性研究

细胞壁是木材的承载结构,是木材最主要的组成和利用部分。基于细胞水平的微观研究,主要分析了木材细胞壁力学性能与其组分及微观构造的相关性,分别从细胞壁木质素、半纤维素、纤维素和微纤丝角四个方面阐述了其对细胞壁刚性、硬度、弹性模量、抗拉强度和断裂伸长率等微观力学性能的影响。并且依据目前细胞壁力学性能的研究现状,对今后的研究方向提出了展望。建议今后加强分子层面机理研究并加强细胞壁力学与实际应用的关系探究。     

木材断裂裂纹及应力场的分形研究

木材材料的各向异性夺致木材断裂裂纹具有强烈的非均质性，其在二维空间内的分布县有非线性特征。运用数盒子法对裂纹发育带在二维平面内的分布进行了分形特征研究，发现木材裂纹县有明显的分形规律，分形维数为1．2-1．5；通过比较不同时问段的裂纹发育情况，发现裂纹的分形维数随斡裂纹的扩展星增加的趋势。对木材断裂过程的应力场进行分形研霓的结果表明，裂纹应力场伞表现出分形的特征，并且分形维数在裂纹尖端处最小，在远离裂纹尖端处较大。     

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。     

四大竹乡产毛竹弯曲力学性能的比较研究

对四大竹乡产毛竹的弯曲力学性能进行了研究,使用电子万能力学试验机采用径向加载方式测试竹材弯曲强度(MOR)和弯曲弹性模量(MOE),并比较分析了毛竹弯曲断裂形态差异.结果表明:生长朝向和竹节对毛竹的弯曲力学性能具有较大影响;测量方式不同,毛竹的弯曲力学性能差异较大;四大竹乡产毛竹MOR差异较大,而MOE差异不明显.     

微观力学表征技术的发展及其在木材科学领域中的应用

微观力学表征技术是表征材料微纳米力学性能的重要技术手段,目前已被广泛用于表征材料的超微构造和解析材料的力学行为。随着材料科学研究尺度缩小,微观力学表征技术逐步从纳米向超纳米、从分子向超分子甚至粒子水平发展。按照试样信息的不同方式,微观力学表征技术主要包括纳米力学测试技术(探针技术)和超纳米力学测试技术(显微镜技术);其中,纳米力学测试技术包括准静态纳米压痕技术、动态纳米压痕技术和动态模量成像技术,超纳米力学测试技术包括原子力显微镜技术和基于原子力显微镜技术的新型微观力学表征技术。木材是一种多孔状、层次状、各向异性的非均质天然高分子复合材料,其超微结构是细胞壁由不同厚度的层次组成。细胞壁是决定木材和木质纤维材料性能的主要因素,是木材的实质承载结构;细胞壁的力学性能是由壁层结构、化学组成的分布与结合方式决定的。开展木材和改性木材细胞壁纳观尺度的力学性能、分布及影响对实现木基复合材料的高效设计具有重要意义。自Wimmer等首次将纳米压痕技术应用于天然木材细胞壁微观力学后,国内外学者主要采取准静态纳米压痕测量技术和动态纳米压痕测量技术对不同树种木材以及化学改性和生物改性木材细胞壁的硬度、弹性模量、蠕变特性与黏弹性等力学性能进行了研究。木质材料界面作为纳米级厚度的界面相或者界面层,不仅影响木质材料的强度、刚度,而且影响木质材料的断裂韧性等。界面力学是决定木基复合材料整体力学性质的关键,是引起材料变形、强度下降的主要原因。研究界面的属性和特征对于木基复合材料整体属性的评价以及结构的优化设计有一定参考价值,研究内容涉及有胶合界面、纤维增强聚合物界面以及木制品涂层的微观力学。随着研究尺度逐渐缩小,微观力学表征技术趋向高分辨率及数据定量化,如今已能在纳米级分辨率下进行力学信息成像,为木材科学领域的研究提供了方便。微观力学表征技术在木材科学领域中的应用尚具有较大潜力,但仍有较多方向尚未涉及,还应在以下3方面展开研究:一是需要开展微观力学技术在木材科学领域应用的标准化研究,规范测试过程,确保测试结果的可靠性和一致性;二是建立木质材料宏观到微观的完整力学体系,从本质上剖析木质材料的力学行为,在纳米尺度上表征木质材料的性质和失效机制;三是随着木材科学领域研究的深入,需建立微观力学与微观化学、微观物理、微观环境学的联系,丰富木材及木基复合材料在微纳尺度的研究。     

竹木复合板的拉伸与弯曲力学特性

竹木复合材料的拉伸和弯曲性能是其重要的力学特性,对其应用有十分重要的影响。通过动态电阻应变仪和电脑程控力学试验机对由竹席、竹帘和杨木单板组成的复合材料的拉伸和弯曲力学性能进行了研究。研究表明竹木复合板的纵向和横向拉伸应变与载荷之间具有显著的线性相关关系,泊松比和弹性模量与载荷之间呈非线性关系。随弯曲载荷增加,竹木复合板的弯曲应力、应变和变形均呈线性增加,但弯曲弹性模量呈非线性下降。泊松比、拉伸和弯曲弹性模量与载荷之间呈非线性关系,证明了该竹木复合板的弹塑性特征。     

定向刨花板强性模量理论分析的试验验证

介绍了定向刨花板的试验方法和过程;并应用概率设计理论求出了定向刨花板主方向的弹性模量,对定向刨花板产品进行了试验研究并与实验室产品进行了分析比较;分析了影响定向刨花板产品质量的主要因素.解决了定向刨花板弹性模量的理论求解公式的实验验证问题,论证了理论推导结果的正确性.尝试将现代设计方法和微观力学理论应用于人造板的力学性能分析和研究中,以推动定向刨花板的计算机仿真工作的开展.     

定向刨花板弹性模量理论分析的试验验证

介绍了定向刨花板的试验方法和过程；并应用概率设计理论求出了定向刨花板主方向的弹性模量，对定向刨花板产品进行了试验研究并与实验室产品进行了分析比较；分析了影响定向刨花板产品质量的主要因素。解决了定向刨花板弹性模量的理论求解公式的实验验证问题，论证了理论推导结果的正确性，尝试将现代设计方法和微观力学理论应用于人造板的力学性能分析和研究中，以推动定向刨花板的计算机仿真工作的开展。     

慈竹竹帘胶合板力学性能研究

采用慈竹为原料制造竹帘胶合板,以三种不同的方式进行组坯,研究组坯方式对慈竹竹帘胶合板纵横方向静曲强度、弹性模量、压缩强度与水平剪切强度的影响。结果表明:组坯方式对胶合板的弹性模量与静曲强度影响较为显著。Ⅲ型板纵向各项力学性能最优,Ⅲ型板横向各项力学性能最弱。Ⅰ型板和Ⅱ型板的静曲强度和弹性模量均达到了汽车车厢用竹篾胶合板的A类标准。三种方式组坯板件的主要力学性能均达到了结构用竹木复合板国家A级标准与混凝土模板用胶合板主要物理力学性能指标。     

三倍体毛白杨新无性系木材气干密度和力学性质性状的遗传控制及对单板材育种的意义

该文利用 9个 9年生三倍体毛白杨无性系木材试样 ,研究了木材气干密度组成及力学性质的遗传变异规律 .结果表明 ,木材气干密度组成及力学性质在无性系间存在显著或极显著差异 ,并受到中等强度的遗传控制 ;气干密度的径向和纵向变异与多数研究结果一致 ;力学性质除抗弯弹性模量和端面硬度外其株内变异趋势也基本符合木材学理论 .在力学性质指标中 ,抗弯弹性模量和弦面硬度是遗传性很强的性状 ,其无性系重复力分别为 0 90和 0 80 ,抗弯强度、顺纹抗压强度和硬度的无性系重复力稍低 .遗传相关表明对单板材可通过木材密度与干形等形质指标进行优良无性系选择     

微拉伸技术测试植物单根纤维纵向拉伸性能

采用自主研发的高精度短纤维力学性能测试仪(SF-I)研究毛竹、杉木、苎麻单根纤维纵向拉伸性能及水分对其影响,研究毛竹单根纤维循环加载的纵向拉伸变化。结果表明:所测纤维均表现出明显的线弹性行为;4年生毛竹平均断裂强度为1710MPa,平均弹性模量为27.1GPa,平均断裂伸长率为7.0%;毛竹、杉木、苎麻纤维的纵向拉伸性能对湿度变化都有一定的敏感性,其中,苎麻最敏感;在相同的温湿度条件以及相同的载荷下对纤维进行多次反复加载,纤维发生的应变会逐渐减小。     

木材干缩的分形分析

本文通过一个木材干缩实验 ,展示了木材多孔性的分形特征。用银杏 (GinkgobilobaL .)和板栗(Castaneamollissima)木材作试材 ,用逐渐升高温度的方式处理试样 ,同时称重和量取尺寸 ,可以获得不同温度之间的重量和体积变化值 ,由变化值和立方体边长的对数值得直线斜率。直线斜率反映了木材中空隙体积的分形维数。这种方法可以通过不同树种、不同温度状态下木材水分逸出过程空隙空间分形维数的变化 ,分析木材的干缩规律。建议分形理论可成为木材多孔性研究的有效途径     

基于BP神经网络的树形识别系统研究

简要介绍了人工神经网络及分形理论的应用 ,提出了用分形维数特征即树木图像的灰度曲面分形维数、冠形轮廓分形维数及 4个方向的有向维数和树木形状特征即树冠高度方向 8等分处所对应的 8个冠幅和树冠的高度作为特征来进行树形的识别 ,并建立了树形识别系统。该系统的输入层分别是图像的维数特征和树木形状特征值 ,共计 15个节点 ,一个隐含层 ,输出层则是要判断的 6种树形。试验表明该系统能准确地对树形进行识别。     

木材密度曲线的分形分析

本文对银杏（Ｇｉｎｋｇｏ ｂｉｌｏｂａ Ｌ．）ｘ射线木材密度曲线分形分析,结果表明,银杏木材密度的分形维数约在１．４４３０。分形维数直观地反映了木材密度年轮内和年轮间的变化规律,与年轮宽度有一定的联系,与木材密度本身关系不大。木材密度的分形维数一般由遗传因素控制,不同树种木材分形维数是相对固定的。木质材料的分形研究,是揭示其内在规律的有效方法。     

木材单根纤维力学性质研究进展

以单纤维力学性能研究的重要性为出发点,综述近年来单纤维力学性能测试的研究进展,针对单纤维拉伸过程中的纤维制备、夹紧、定向、细胞壁横截面面积测量技术、纳米压痕技术以及间接测量的零距拉伸技术进行详细评述,并总结单纤维的纵向弹性模量、抗拉强度以及单纤维的蠕变、断裂、疲劳、扭转特性的研究现状,提出下一步开展单纤维力学研究的建议。     

木材弹性模量无损检测方法及其研究现状

弹性模量是木材重要的力学性能指标之一,与其他力学性能之间有较为密切的相关性。如何快速无损检测木材的弹性模量,为其他力学指标的判定提供参考,一直是相关科研人员的研究方向;同时对当前一些检测木材弹性模量的方法及其研究现状进行了归纳总结。     

毛竹竹材物理力学性能研究

为了解不同竹龄毛竹生材含水率、线性干缩率、气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度等物理性能,对其加工应用的影响,笔者以2-7年生毛竹为材料进行研究,结果表明：竹材的生材含水率、气干干缩率（弦向、径向、纵向）和全干缩率（弦向、径向、纵向）随着竹龄的增加呈减小的趋势;从基部到梢部竹材的生材含水率、线性干缩率均减小;竹材线性干缩率弦向＞径向＞纵向.竹材气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度均随着竹龄的增加呈增大的趋势,尤其是3年生竹材的这些物理力学性能与2年生差异显著,但3年后生竹材差异不大;从基部到梢部竹材的气干密度、抗弯强度、抗弯弹性模量和顺纹抗压强度逐渐增加.综合考虑毛竹的物理力学性能和竹林的经济效益,适合采伐的是3年后生竹材,锯截之后的竹材也应根据部位不同进行区分,以便于加工应用过程中合理利用,提高产品的理化性能和质量的稳定性.     

不同纹理方向栎木微小无疵试样板材蠕变特性

【目的】考察高温高湿环境下不同锯切方向栎木板材的弯曲蠕变行为,为湿热条件下翘曲栎木板材展平整直工艺提供参考。【方法】制备4种不同锯切方向栎木试样(分别对应弦切板纵向、径切板纵向、径切板横向和弦切板横向),利用DMA-Q800型动态热机械分析仪测定不同锯切方向栎木试样在不同温度下的蠕变曲线,采用Burger模型和广义Kelvin模型对栎木短期蠕变曲线进行拟合,分析锯切方向对栎木试样各蠕变参数的影响,并对不同取向栎木板材蠕变特性进行评价。【结果】在70~90℃范围内,不同取向栎木板材蠕变和蠕变恢复均随温度升高而增大。在相同应力作用下,径切板纵向蠕变大于弦切板纵向蠕变,而径切板横向蠕变小于弦切板横向蠕变。Burger模型和广义Kelvin模型都可以较好地模拟栎木短期蠕变过程,Burger模型相关系数(R~2)大于0.90,广义Kelvin模型相关系数(R~2)大于0.99。在试验范围内,相同含水率下栎木试样的普弹模量和本体黏度均随温度升高而降低。在单个滞后时间的Burger模型拟合中,滞后时间随温度升高而增加,90℃时达到最大,栎木在90℃时最接近理想黏性体。不同锯切方向栎木板材本体黏度依次为弦切板纵向径切板纵向径切板横向弦切板横向。【结论】升高温度可以降低栎木本体黏度,随温度升高栎木更易产生黏性形变;栎木板材横向相比纵向更易发生黏性形变;在板材纵向,径切板相比弦切板易发生黏性形变;在板材横向,径切板相比弦切板更难产生黏性形变。     

碎料板弹性模量微观力学的分析步骤和实验方法

针对刨花板、定向刨花板、重组木等碎料板弹性模量的微观力学求解理论进行综述，提出各个板种微观力学模型建立的原则，指出相应的数学模拟计算理论与方法的研究方向，编制计算机仿真计算软件库，通过这些理论可以建立这几种碎料材种、几何尺寸、胶种、铺装角及其误差、碎料力学参数、压缩比、容重等因素和板材弹性模量的定量数学关系，实现新型板种弹性模量的理论预测方法。