范文一:木材横纹顺纹压缩
木材横纹、顺纹压缩性能的一个简要定性实验
摘要:
木材是我们生活中一种使用最广泛、最常见的材料,了解影响木材压缩性能的一些因素和机制,有利于合理地利用木材资源,环境保护以及提高木材使用的经济效益。本文用两块取自横纹和顺纹两个不同方向的木块的压缩试验结果做了一个对比,简要分析了不同构造的木材其不同的压缩力学性能,得到了两个不同方向的应力-应变特性曲线,证实了木材的各向异性和多孔性。
关键词:木材各向异性;多孔材料;横纹方向; 顺纹方向;大变形压缩
引言:
我国森林覆盖率较低,木材资源较为匮乏,研究木材的压缩特性有助于让不同性能的木材各尽其用,节约成本。生活中,人们对木材这种材料有着非常感性的认识,比如“劈柴沿着顺纹方向比较轻松”、“砍树要比劈柴费劲得多”。事实上,木材是一种极为特殊的各向异性多孔材料,作为一种天然的复合材料,在外加载荷作用下有着非常复杂的力学特性。木材微观上由许多含有空腔的细胞所组成。其中近于沿树干主轴方向排列者占绝大多数,该方向称为轴向或顺纹方向;而与树干主轴相垂直的方向,包括径向、弦向、半弦向等,统称为横纹方向。
图1:木材的微观多孔结构
本文记录的实验先对两块顺纹和横纹的木块进行了宏观力学参数的测量,比如抗压强度,杨氏模量。紧接着,通过对木材微观结构的分析,对木材的破坏机理进行了初步的定性解释。
1.实验目的
1o 学习了解各向异性材料的力学性能极其测试方法 2o 测量木材横纹和顺纹压缩弹性模量和抗压强度
2.实验方案
2.1使用设备
WDW-3050电子万能试验机、光学引申计、计算机、游标卡尺、直尺、横纹木材试件、顺纹木材试件各一件。
2.2试样
图2:试验木块示意图
实验所用的木块如图2所示,第一块木块为顺纹压缩,第二块为横纹压缩。
2.3实验原理
2.3.1 木材的微观组成
木材由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成。组成木材细胞壁的主要化学成分,按其物理作用可分为3类:骨架物质、基体物质和结壳物质。有人形象的将骨架物质、基体物质、结壳物质分别比作钢筋、沙石、水泥。
骨架物质:以纤维素的微纤丝状态存在于细胞壁中,赋予细胞拉压强度。纤维素为线形、长的大分子结构,其分子链不是笔直成线,而是具有一定程度的卷曲,这就决定了纤维素具有可以伸缩的弹性性能。纤维素作为木材的骨架结构元素,其含量主要影响木材的刚度。
基体物质:指半纤维素和其它碳水化合物。渗透于骨架物质,增加细胞的刚性。 结壳物质:指木质素,遍布于细胞壁之中,使细胞获得硬度。
2.3.2 国标规定的计算方法
实验方法参照国标GB-T15777-1995所述木材顺纹抗压弹性模量测定方法和GB-T 1943-2009所述木材横纹抗压弹性模量测定方法。具体计算见附录。
2.4实验步骤
1o测量试样原始尺寸:
用游标卡尺测量试件基本尺寸,如标记段原始长度,宽度,厚度,多测几次取平均。由于要使用光学引伸计,应该用快干墨水或带色涂料标出两个标记点。 2o试验机准备:
预先开动试验机,确定试验机工作正常。打开相机,确认图像可以正常采集。 3o安装试样:
手持试件安放在下压平台,使用面板的上下控制键控制压头轻微压紧木块,使试样的纵轴与试验机的加载轴基本保持平行。 4o设定实验方案:
再次检查试验机工作状态,调整相机位臵,保证图像采集。 5o进行试验:
以预先设定的加载速度连续加载至试样破坏,记录破坏荷载和试样破坏的最大位移。 6o试样断后尺寸测定:
取出试样断体,观察断口情况。然后将试样在断裂处紧密对接在一起,并尽量使其轴线处于同一直线上,测量试样断后标距L(可直接用游标卡尺测量标距两端点的距离)。 7o归整实验设备结束试验:
完成全部测量后,将所使用的仪器设备全部复原,并将试验数据记录拷入U盘,关闭试验机。
3 实验结果及分析
3.1试验数据记录
3.2数据处理
3.3 过程分析
3.3.1 破坏过程及特征
加载初期试件外观等没有明显变化,随着载荷加大,当加载到试件的极限荷载时木块开始破坏,明显开始倾斜,并且逐渐开裂。图3所示为顺纹压缩木块最后的破坏结果。
图3:顺纹压缩破坏图
3.3.2 顺纹压缩的力学性能
顺纹方向压缩典型载荷-位移曲线,应力-时间曲线,应变-时间曲线,应力-应变曲线分别见图4,图5,图6,图7所示。
图4:顺纹压缩载荷-位移曲线
图5:顺纹压缩应力-时间曲线 图6:顺纹压缩应变(-1)-时间曲线
注:图中的应力为名义应力,利用荷载值除以试件截面面积得到,后文中应力均为名义
应力。
图4中荷载-位移曲线上升阶段基本呈一条直线,直到最大应力达到49MPa,载荷值约为19.78kN时开始阶梯状下降,这是由于木块开裂引起的。
图5中应力-时间曲线与图4类似。图6中所示为应变-时间曲线,由于应变为负值,所以绘图时乘上了一个负号。
由于图5曲线采集了6000多组数据,图6曲线仅仅采集了约300多组。因此,为了得到应力-应变曲线,对图6曲线进行插值。
最后绘出应力-应变曲线如图7所示。截取线性段(应力从0上升到45MPa中间的区段)做线性拟合,得到拟合曲线,进一步得到弹性模量值约为E=6.06GPa。
图7:顺纹压缩应力-应变曲线
3.3.3 横纹压缩的力学性能
横纹方向压缩典型载荷-位移曲线,应力-时间曲线,应变-时间曲线,应力-应变曲线分别见图8,图9,图10,图11所示。
图8:横纹压缩载荷-位移曲线
图9:横纹压缩应力-时间曲线 图10:横纹压缩应变-时间曲线
图11:横纹压缩应力-应变曲线
图8中荷载-位移曲线有两个上升阶段,直到最大应力达到39MPa后开始下降,载荷值约为19.78kN。呈现阶梯状下降,同样是由于木块开裂引起的,见图12。
图9中应力-时间曲线与图8类似。图10中所示为应变-时间曲线,由于应变为负值,所以绘图时乘上了一个负号。
由于图9曲线采集了7000多组数据,图10曲线仅仅采集了约380组。因此,为了得到应力-应变曲线,对图10曲线进行插值。
最后,由数据直接得到的应力-应变曲线如图11所示。事实上,由于横纹压缩最后的破坏方式为崩裂,因此,该曲线后面部分是不合理的,所以只截取线性段(应变0.018)做线性拟合,得到拟合曲线,进一步得到弹性模量值约为E=0.77GPa。
图12:木块横纹压缩破坏图
3.3.4 由上述图表可得到木材两个方向的力学性能特点: (1)顺纹压缩的强度极限比横纹压缩大得多。
(2)对于顺纹压缩,弹性阶段内,需要很大的负荷才能使试件发生较大的变形;在弹性阶段之后没有明显的屈服阶段。
(3)对于横纹压缩,弹性阶段中,试件的变形不需要很大的外载荷;而且在弹性阶段之后,有明显的屈服阶段,之后经历较长的强化之后才出现断裂。 (4)木材顺纹压缩的弹性模量要比横纹压缩大得多。
3.3.5 微观结构分析:
顺纹压缩:
木材顺纹方向相当于无数纤维管束的集合体,如图1。因此,顺纹压缩可以类似于纤维增强复合材料的顺纤维压缩过程。木材在顺纹压力的作用下,细胞壁中微纤丝之间产生滑移,导致木材细胞壁的壁层纵向产生褶皱[1]。这些褶皱主要集中在细胞的内壁,如果木材在持续的外力作用下被压缩,这些纤维管会分离(破坏了半纤维素,纤维管失去固定作用),这也解释了图3为什么是开裂破坏。
横纹压缩:
在横纹压缩过程中,径向加载时,木射线是以纵向支撑受力,因此径向应力和弹性模量会大于弦向。弦向压缩时, 由于早晚材同时受压力影响,使之径向应力值大于弦向值略高些[2]。
事实上,本次试验研究的对象是木材大变形压缩试验,应力-应变关系有如下所述的模型[3]:
木材是多孔性材料, 由许多含有空腔的细胞所组成。一般来说, 当其受到横纹方向的大变形范围压缩的情况下, 可由屈服点应变y和细胞壁压密化临界应变d(即压缩过程中细胞腔完全被填充而消失时刻的应变),将应力-应变曲线为三个阶段。即○1细胞发生微小变形, 应力与应变呈比例关系的领域,即弹性变形领域(
y
);○2在越过屈服点之后较宽的变形范
围, 细胞逐渐被压溃,胞壁发生向腔内塌陷的弯曲和压屈变形,应变迅速增大而应力仅略有
增加, 应力-应变曲线趋于平坦的领域(
yd
);○3压缩进行至原来对面的细胞壁相互接
触, 细胞腔被完全充填, 细胞壁实质物质被压缩, 应力随应变的增加而急剧增大的领域。木
材横纹压缩的应力-应变特性曲线,一般都具有这样的三段特征。
按照这一模型,完全可以解释为什么载荷-位移曲线(图8)会有一个交替上升的过程。并且还可以得到
y
0.045,d=0.39。
结论:
1、 木材的确是一种多孔的天然复合材料,其具有明显的各向异性。 2、 木材细胞具有相当大的空隙,由
y
0.045知,横纹方向空隙之和约2.7mm。
3、 木材顺纹方向适合用于承压结构,而横纹方向有良好的减震效果。 4、 鉴于木材的承压特性,横梁之类的结构不能使用横纹木材。
改进建议:
1、不同树种木材由于其内部组分和构造的差异性,使其具有特殊的物理力学性能,即使是同一地区的树种,由于受周围气候、环境等诸多因素影响,也会具有不同的性能,甚至是同一株树上不同部位的木材差异性也很大。
此外,对于不同树种而言,在相同含水率的条件下,木材的密度越大,说明木材细胞间的排列越紧密,当受到轴向压力时,木材由于细胞间的相互作用会表现出较大的抗压强度,压缩过程中也不易出现“压溃”现象,当密度过大时,木材的顺纹压缩率会减小。
因此,实验用的对比材料应该选取同一棵树同一部位。
2、木材软化的目的是使木材实现可塑化、木材膨胀变形和降低木材细胞壁化学组分中半纤维素、木质素的玻璃化转变温度。
因此,实验时为了更好的观察实验现象,建议以后试验件事先水软化处理。
3、压缩试验的压力作用在试件的端头,压缩过程中压力由木材两端向中间传递,压缩速度过慢虽然可以使压力充分向内部传递,但应用于生产时生产效率低;压缩速度过快,作用在木材两端的压力来不及向木材内部传递就已经压缩,会出现两端密度过大现象,如果继续施压,木材在没有达到最大压缩率时两端就会被压溃,影响木材顺纹压缩的成功率。
所以,在顺纹压缩过程中,选择合理的压缩速度对获得最大顺纹压缩率是非常重要的。 因此,建议试验速度应该从3mm/min进一步下降,国标建议值为0.2mm/min。
4、温度升高必然导致木材软化,塑性增大,其力学强度大幅度下降。为了观察这一现象,对木材的性能有进一步认识,建议以后实验加入温度因素。
参考文献:
[1] 张燕、宋魁彦、佟达等,《木材顺纹压缩率与PDR的影响机制研究》,《林业机械与木工
设备(Forestry Machinery & Woodworking Equipment)》,第40卷第11期,2012年11月,35-37页;
[2] 孙丽萍、崔永志、刘一星,《木材横纹压缩过程中径向弦向加载差异性分析》,《林业科技(Forestry Science & Technology)》,第22卷第3期,1997年5月,38-41页; [3] 刘一星、则元京、师冈淳郎,《木材横纹压缩大变形应力-应变关系的定量表征》,《林业科学(Scientia Silvae Sinicae)》,第31卷第5期,1995年9月,436-442页;
附录:
延伸率计算公式:
光学引申计测量:
顺纹抗压强度计算公式为:
σW=
横纹抗压强度计算公式:
Pmax
(Mpa)b?t
式中,Pmax为最大载荷(N),b、t为试件宽度、长度(mm)
P
(Mpa)b?t
式中,P为比例极限载荷(N),b为试件宽度(mm),t为试件长度(mm)。
σyw=
横纹抗压弹性模量计算公式:(根据GB1943—2009规定,试样含水率为W%)
Ew=
式中,
W
?P?l
b?t??l
为试样含水率为W%时的横纹抗压弹性模量,单位为(MPa);P(N)为木
材横纹压缩比例极限以内上限与下限载荷之间两点载荷之差;l(mm)为标定变形的基距,b(mm)为试样的宽度,t(mm)为试样的厚度,Δl(mm)为P相对应的压缩变形值。
顺纹抗压弹性模量计算公式:(根据GB/T 15777-1995规定,试验时含水率为W%)
Ew=
式中,
W
pl
bt?l
为试验时含水率为W%时的顺纹抗压弹性模量,单位(MPa); l(mm)为标
定变形的基距,b(mm)为试样的宽度,t(mm)为试样的厚度;Δl(mm)为上限与下限载荷间的变形值。
范文二:木材顺纹和横纹图解 木材和石头
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木 材 和 石 头
——不同文化的建筑语言
城市规划 刘叙霆 25120102201459
在几千年前,地球上出现了几种不同的文明,其中包括我们所熟知的埃及文明、中华文明、希腊文明。这些文明由于地域分布的不同,其习俗文化也大相径庭。作为人类生活不可缺少的住所,也被用不同的材料所修筑。而这些材料中,被大量应用的正是木材与石材。
1
也许是历史的机缘巧合,也许是自然地理的制约,使西方的文明选择了石材,而东方文明则选用了木材。而不同的材料又造就了东西方文明不同的建筑形制,从而最后演变成截然不同的建筑系统。
包括中华文明在内的东方文明大多数建筑是木制的,木材的选用是我们的祖先考虑到了木材质感温暖润泽,纹理优美,着色性好等特点。值得一提的是,由于木材的这种自然特性使木材具有了温润与质朴的表现力,直到今天仍然被选作最好的室内用材。
木材的大量应用也演变出了独具东方特色的室内设计风格。比如说中国,大多数传统建筑都有木制的檐,其传统建筑的装修便分为内檐和外檐。我们常见的走廊的栏杆,对外的门窗还有檐下的挂落都是外檐的部分,而中国建筑独有的天花、藻井以及隔断、隔扇、屏风、罩、博古架等就属于内檐部分。中国传统建筑的室内空间由形式各异的梁枋构件组成,屋顶的装修处理千年来形成了两种手法,一种是不做顶棚直接暴露梁枋结构,一种是梁枋下作顶棚处理,使室内保持完整空间。
中国传统建筑整体外观的特点自不用说,宏伟的宫殿,高耸
2
的宝塔,以及和自然和谐统一的庙宇都是中国传统建筑的代表。
单就房顶来说就有歇山、悬山、硬山、庑殿等十余种,而这些丰富多彩的建筑外观全都是以木材作支撑。中国劳动人民可以说把木材这种材料的特点发挥到了极致,形成了属于中华民族的建筑流派。
长期木制建筑的设计修建,给古代中国的建筑师打下了深深地文化烙印。举个简单的例子,古代中国也建造过不少石制的塔,如河北的昌黎源影塔。这些塔虽然是石塔,但在一些细部处理上却在模仿中国传统的木制阁楼构造,无法摆脱那种木制建筑的趣味影响。
在地球的另一端以古希腊文明为代表的西方文明却在大量的建造石制的卫城和神庙。石材不同于木材,它质感坚硬,纹理色彩多变,尤其是它雕凿性好,被当做理想的结构材料,石材的坚实具有硬朗与苍劲的艺术表现力。与木材相同,石材也成就了西方独特的建筑思想体系,那就是柱式。古希腊人用石头雕刻出了经典的三种柱式:多利克、爱奥尼、科林斯。整个建筑的立面实际上是不同柱的立面,古希腊的神庙有时甚至只有很小的内部空间,他们把空间都留给了柱廊,
3
他们用石材雕刻出山花,用以装饰神庙,而用女人像来作为承重的柱子则是把这种建筑如雕塑的手法发挥到极致。
古罗马人习得了古希腊人对石材的充分挖掘,并且又有发展,不同的是,古罗马人在用石材建筑时,还配以火山灰这一天然混凝土,让建筑的形制突破了原有的禁锢,比如罗马的万神庙,其结构全部采用拱券。其内径达到四十米,这样大的空间穹顶,全部归功于石材与火山灰的综合利用。
西方千百年来延续的这种石材建筑技术也为人类留下了许多宝贵的文化遗产。由于石材的坚固耐久,经历了地震战火的洗礼,古代西方的神庙皇宫教堂仍然矗立在现在的钢筋混凝土建筑当中,为城市增添了不少文化氛围和底蕴。相比之下,东方的木质
结构易燃脆弱,许多经典的建筑都没有经受得住时间的考验,十分可惜。
石材与木材,本来都是大自然的产物,却由于人为的加工设计,焕发出了不同的魅力,不同文化的人们不由自主的选择了他们其中的一个作为建筑材料,又为石材和木材打下了深深的文化烙印,反过来,石材与木材独特的质感,纹理又表
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现了东西方不同的文化底蕴:东方如木材般温文尔雅,西方如石材般粗犷豪迈。石材与木材真可谓不同文化的建筑语言~
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范文三:木材横纹与顺纹实验报告
木材横纹与顺纹实验报告
木材横纹与顺纹压缩实验
摘要: 为了解影响木材压缩性能的一些因素和机制并测量横纹与顺纹的弹性模量,抗拉强度以及比较二者的区别。本文用两块取自横纹和顺纹两个不同方向的木块的压缩试验结果做了一个对比,简要分析了不同构造的木材其不同的压缩力学性能,得到了两个不同方向的应力-应变特性曲线,证实了木材的各向异性以及得到了木材横纹和顺纹的力学性能。 关键词:木材各向异性;横纹方向; 顺纹方向
1.引言: 我国森林覆盖率较低,木材资源较为匮乏,研究木材的压缩特性有助于让不同性能的木材各尽其用,节约成本。生活中,人们对木材这种材料有着非常感性的认识,比如“劈柴沿着顺纹方向比较轻松”、“砍树要比劈柴费劲得多”。事实上,木材是一种极为特殊的各向异性多孔材料,作为一种天然的复合材料,在外加载荷作用下有着非常复杂的力学特性。木材微观上由许多含有空腔的细胞所组成。其中近于沿树干主轴方向排列者占绝大多数,该方向称为轴向或顺纹方向;而与树干主轴相垂直的方向,包括径向、弦向、半弦向等,统称为横纹方向。
2.试验方案:
2.1使用设备
WDW,3050电子万能试验机、光学引伸计、计算机、游标卡尺、横纹木材试件、顺纹木材试件各一件。
2.2试样
2.3实验原理
2.3.1 木材的微观组成
木材由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成。组成木材细胞壁的主要化学成分,按其物理作用可分为3类:骨架物质、基体物质和结壳物质。有人形象的将骨架物质、基体物质、结壳物质分别比作钢筋、沙石、水泥。
骨架物质:以纤维素的微纤丝状态存在于细胞壁中,赋予细胞拉压强度。纤维素为线形、长的大分子结构,其分子链不是笔直成线,而是具有一定程度的卷曲,这就决定了纤维素具有可以伸缩的弹性性能。纤维素作为木材的骨架结构元素,其含量主要影响木材的刚度。 基体物质:指半纤维素和其它碳水化合物。渗透于骨架物质,增加细胞的刚性。 结壳物质:指木质素,遍布于细胞壁之中,使细胞获得硬度。
1. 测量试样原始尺寸: 用游标卡尺测量试件基本尺寸,如标记段原始长度,宽度,厚度,
多测几次取平均。由于要使用光学引伸计,应该用快干墨水或带色涂料标出两个标记点。
2. 试验机准备: 预先开动试验机,确定试验机工作正常。打开相机,确认图像可以正常采
集。
3. 安装试样: 手持试件安放在下压平台,使用面板的上下控制键控制压头轻微压紧木块,
使试样的纵轴与试验机的加载轴基本保持平行。
4. 设定实验方案: 再次检查试验机工作状态,调整相机位臵,保证图像采集。
5. 进行试验: 以预先设定的加载速度连续加载至试样破坏,记录破坏荷载和试样破坏的最
大位移。
6. 试样断后尺寸测定: 取出试样断体,观察断口情况。然后将试样在断裂处紧密对接在一
起,并尽量使其轴线处于同一直线上,测量试样断后标距L(可直接用游标卡尺测量标距两端点的距离)。
7. 归整实验设备结束试验: 完成全部测量后,将所使用的仪器设备全部复原,并将试验数
据记录拷入U盘,关闭试验机。
由上述图表可得到木材两个方向的力学性能特点:
(1)顺纹压缩的强度极限比横纹压缩大得多。
(2)对于顺纹压缩,弹性阶段内,需要很大的负荷才能使试件发生较大的变形;在弹性阶段之后没有明显的屈服阶段。
(3)对于横纹压缩,弹性阶段中,试件的变形不需要很大的外载荷;而且在弹性阶段之后,有明显的屈服阶段,之后经历较长的强化之后才出现断裂。
(4)木材顺纹压缩的弹性模量要比横纹压缩大得多。
3.试验结果及分析
横纹 顺纹
长度/mm 宽度/mm 厚度/mm 长度/mm 宽度/mm 厚度/mm 1 60.10
20.00 19.92 60.64 20.30 19.98 2 60.30 19.98 20.00
60.66 20.14 19.92 3 60.10 20.16 19.92 60.56 20.00
20.00
平均值/mm 60.17 20.05 19.95 60.62 20.15 19.97 横截面积/mm2 400 402
微观结构分析:
顺纹压缩:
木材顺纹方向相当于无数纤维管束的集合体。因此,顺纹压缩可以类似于纤维增强复合材料的顺纤维压缩过程。木材在顺纹压力的作用下,细胞壁中微纤丝之间产生滑移,导致木材细胞壁的壁层纵向产生褶皱。这些褶皱主要集中在细胞的内壁,如果木材在持续的外力作用下被压缩,这些纤维管会分离(破坏了半纤维素,纤维管失去固定作用),这也解释了为什么是开裂破坏。
横纹压缩:
在横纹压缩过程中,径向加载时,木射线是以纵向支撑受力,因此径向应力和弹性模量会大于弦向。弦向压缩时, 由于早晚材同时受压力影响,使之径向应力值大于弦向值略高些。 事实上,本次试验研究的对象是木材大变形压缩试验,应力-应变关系有如下所述的模型: 木材是多孔性材料, 由许多含有空腔的细胞所组成。一般来说, 当其受到横纹方向的大变形范围压缩的情况下, 可由屈服点应变y和细胞壁压密化临界应变d(即压缩过程中细胞腔完全被填充而消失时刻的应变),将应力-应变曲线为三
个阶段。即
a.细胞发生微小变形, 应力与应变呈比例关系的领域,即弹性变形领域;
b.在越过屈服点之后较宽的变形范围, 细胞逐渐被压溃,胞壁发生向腔内塌陷的弯曲和压屈变形,应变迅速增大而应力仅略有增加, 应力-应变曲线趋于平坦的领域;
c.压缩进行至原来对面的细胞壁相互接触, 细胞腔被完全充填, 细胞壁实质物质被压缩, 应力随应变的增加而急剧增大的领域。木材横纹压缩的应力-应变特性曲线,一般都具有这样的三段特征。 按照这一模型,完全可以解释为什么载荷-位移曲线会有一个交替上升的过程。并且还可以得到y0.045,d=0.39。
上面的两张图片都是用MATLAB软件拟合实验数据得出,由上面两张图片可以看出,横纹与顺纹的应力应变曲线是有很大不同的。 顺纹的各个阶段的应力值都很大,抗拉强度很大。但是横纹应变较小,故可以作为良好的减震材料。可能实验存在误差,其中,取弹性阶段的20%-80%进行分析得到顺纹的弹性模量为35MPa,横纹的弹性模量为200MPa。
4.结论:
1、 木材的确是一种多孔的天然复合材料,其具有明显的各向异性。
2、 木材顺纹方向适合用于承压结构,而横纹方向有良好的减震效果。
3、 鉴于木材的承压特性,横梁之类的结构不能使用横纹木材。
范文四:木材顺纹抗剪强度测试方法的改进
Vol.18 No.3CHINAWOODINDUSTRYMay2004
研究与分析
木材顺纹抗剪强度测试方法的改进
覃道春,傅峰,江泽慧
(中国林业科学研究院,北京100091)
摘要: 在测量小径材或薄板抗剪强度时,常由于材料尺寸过小,无法按国标规定制作试
样。本文提出了一个木材顺纹抗剪强度测试方法的改进方案,即在基本保持试样原有力学性状
不变的前提下,将剪切试样的宽度缩小为国家标准试样的一半,并通过杉木和I-214杨的标准
试样和改进试样的对比试验,论证了改进方案的可行性。对比试验表明:改进试样和标准试样
的抗剪强度差异不显著(0.05水平),二者强度平均值相对差异的绝对值低于3%。关键词: 木
材;抗剪强度;试验方法;标准试样;改进试样
中图分类号:S781,TB301 文献标识码:A 文章编号:1001-8654(2004)03-0010-04
ANewTestMethodforShearStrengthParalleltoWoodGrain
QINDao-chun,FUFeng,JIANGZe-hui
(ResearchInstituteofWoodIndustry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China)
Abstract:
Inordertodeterminetheshearstrengthparalleltograinforsmall-diameterlogsorthinlumber,thispaperdescribesanewtestmethodinwhichthewidthofthespecimenwascuttohalfitsstandardsize.Thefeasibilityofusingthemodifiedshearspecimen,asasubstituteforastandardspecimen,wasdeterminedbycomparingtheshearstrengthbetweenmodifiedandstandardspecimensfrombothChineseFir(Cunninghamialanceolata)andPoplarI-214[Populus×
euramericana(Dode)Guineircv.
‘I-214’]lumber.Resultsshowedthattheabsolutevaluesoftherelativedifferencesoftheshearstrengthbetweenthestandardandmodifiedspecimensformatchedconditionwereunder3%,andtherewasnosignificantdifferenceatthe0.05probabilitylevel.Thisprovidedausefulmethodformeasuringtheshearstrengthparalleltothewoodgrainforsmallorundersizetimber.
Keywords:
Wood;Shearstrength;Testmethod;Normal(orStandard)shearspecimen;Modifiedshearspecimen
木材的抗剪强度是木材抵抗剪切应力的能力。由于木材具有各向异性,如何准确地测出木
材抗剪强度一直是有争议的问题。争论的焦点是如何确保木材试样发生纯剪切破坏。四川省
建筑科学研究所基于木材剪切破坏的受力特性,认为要清除试样剪切破坏面上的正应力而获
得试样的纯剪切受力形式是很困难的[1]。因此,只要测定木材顺纹抗剪性能的试验方法能达
到正应力对剪切破坏的影响比较小,宏观上能
收稿时间:2003-11-21基金项目:国家“九五”攀登计划专项项目(95-专-07)。
作者简介:覃道春(1971—),男,中国林科院木材工业研究所助理研究员,博士研究生。
[1,3]
反映木材的剪切强度性能即可。比较合理的顺纹剪切试验方法应该使试样剪切面上剪应
力分布比较均匀。据此,他们提出一个剪切试验方法,即目前GB1937-91所采用的方法,试样尺
寸如图1A所示。该方法的优点:(1)抗剪强度不存在摩擦损失的影响;(2)荷载在剪切面上的垂
直分力(压力)可抵消剪切面上的撕拉正应力,从而减少剪切面上正应力对强度的影响。当测量
某些小径级试材或薄板材的抗剪强度时,特别是对树木同一高度上的多个区域作剪切性质比
较时,由于材料尺寸过小,取样尤为困难,无法制作出符合国标规定的剪切试样(简称标准试样)。为了解决第18卷 第3期 木材工业2004年5月
这个问题,Bendtsen[4]等人采用横截面为2英寸×1.5英寸(宽×厚)的剪切试样代替ASTMD-143规定的2英寸×2英寸的试样,对比试验证实,两种试样的抗剪强度差异不显著。1991年,Kretschmann为了测量风扇叶片材料(7/8英寸厚,西加云杉Piceasitchensis)的抗剪强度,先将多块薄板胶合成木方,加工试样时将受剪面设置在需测试的区域内,结果发现这种试样与ASTMD-143试样的抗剪强度差异不显著。本文提出了另一种方案,在保持试样原有的力学性状不变的前提下,将顺纹剪切试样的宽度缩小为标准试样的一半(简称为改进试样,见图1B),并通过两种试样测试结果的比较,
论证改进方案的可行性。
图2 试样在木材横截面上的分布示意图Fig.2 Illustrationofsamplingfromlog
[5]
按照上述方法画线并锯制成横截面为40mm×20mm的净料条,然后从同一根净料条上相间地截取标准试样和改进试样的毛坯(见图3),最后加工出供测试的成对试样。在同一根净料条上,每块试样的受剪面都取在木材同一个纵面上。
图3 试样毛坯截取示意图
图1 国家标准剪切试样(A)及改进试样(B)示意图Fig.1 IllustrationofNationalStandardshearspecimen(A)andmodifiedshearspecimen(B)
(A,B分别为标准试样与改进试样的位置)
Fig.3 Illustrationofsamplingsectionlayoutwithinboard
1.3 测试
抗剪强度测试参照GB1937-91《木材顺纹抗剪强度试验方法》,使用岛津万能力学试验机,以0.4,1mm/min的速度(保证试样在1.5,2min之间破坏)加载到试样破坏。对于改进试样,为了使用标准夹具,将20mm×20mm×35mm的钢块置于夹具中固定试样,如图4所示,箭头所指位置为钢块。
1 材料与方法1.1 试材
采用杉木(Cunninghamialanceolata)和I-214杨
木[Populus×euramericana(Dode)Guineircv.‘I-214’],分别代表针、阔叶人工林树种。各取2段同产地、不同株的树段,其中杉木采自江西分宜县亚林中心,23a生;I-214杨采自北京顺义,13a生。1.2 制样
鉴于木材力学性质的各向异性,将木材的横截面分6个部位取样(3个年轮范围×2个剪切面)。如图2所示,3个年轮区域从内向外分别简称J区、G区和M区,将断面分为基本等宽的3部分;2个剪切面是径面剪切(以下简称R面)和弦面剪切(以下简称T面)。本研究以剪切面法线与木材径向(沿髓心到剪切面中心连线方向)的夹角(锐角或直角,下同)来定义剪切面,径面剪切试样的剪切面法线与木材径向夹角为60,90?,弦面剪切试样的剪切面法线与木材径向夹角为0,30?。共获得6组试样,分别用J-R,J-T,M-R,
M-T,G-R,G-T表示(见图2)。
图4 改进试样及其试验装置Fig.4 Theequipmentfornormalandmodifiedwoodshearstrengthtest
气干密度测试方法依照国家标准GB1933-91《木材密度测定方法》进行。试验结束后依照GB
1931-91《木材含水率测定方法》测出试验时试样的含May2004 CHINAWOODINDUSTRYVol.18 No.3
水率,再根据公式S12=Sw[1+0.03(W-12)](S12:含水率为12%时的抗剪强度,Sw:实际抗剪
强度,W:试样的含水率),将试样的实测抗剪强度转换成含水率为12%时的抗剪强度值,以便比
较。2 结果与讨论
2.1 两种试样抗剪强度的相对差异及其显著性
两个树种不同部位的标准试样和改进试样的含
水率、密度以及抗剪强度的平均值和相对差异测定结果列于表1。从表1中可见,两种试
样抗剪强度平均值的相对差异很小,杉木的介于-1.25%,+1.84%之间,I-214杨木则介于
-1.0%,+2.11%之间;相
对差异最大为2.11%,出现在I-214杨木的G区R面;抗剪强度平均值最大相差0.13MPa,
出现在杉木G区T面和I-214杨木G区R面。
表1 杉木、I-214杨木的标准试样与改进试样的强度测定结果性质差异
Tab.1
Propertydifferencesbetweenstandardsizeandmodifiedsizesamplestestedfromtwospecies
树种
剪切方向
年轮范围/区J
R面
杉木
T面
GM平均JGM平均JGM平均J
T面
GM平均
标准试样
含水率/%8.29.58.78.88.39.114.910.88.414.013.211.97.88.113.49.8
气干密度抗剪强度
/MPa/(g?cm-3)0.3590.3790.3920.3770.356
0.4000.3970.3840.3400.3800.3660.3620.3260.3500.3940.357
7.716.807.657.398.037.056.357.1415.846.165.895.966.586.317.296.73
含水率/%8.19.48.78.78.29.414.410.78.413.913.211.87.88.013.49.7
改进试样
气干密度抗剪强度
/MPa/(g?cm-3)0.3910.3930.3950.3930.378
0.4060.4030.3960.3480.3770.3710.3650.3390.3730.3880.367
7.746.787.637.387.937.186.287.135.786.295.905.996.586.297.376.75
强度平均值之差/MPa
0.03-0.02-0.020.00-0.100.13-0.07-0.01-0.060.130.010.030.00-0.020.080.02
相对差异
/%0.39-0.29-0.26-0.05-1.251.84-1.10-0.19-1.032.110.170.450.00-0.321.100.30
R面
I-214杨
注:1表中含水率为试样实测含水率;抗剪强度为已换算成含水率为12%时的抗剪强度;
o强度平均值之差为改进试样抗剪强度与标准试样抗剪强度之差;?相对差异为强度平均
值之差/标准试样抗剪强度。
利用SAS软件对各种条件下两种试样的测量数据进行了土其氏多重比较检定(Tukey’
stest),分析结果列于表2。方差分析表明,在杉木和I-214杨木的各部位上,两种试样的抗剪
强度差异在0.05水平都不显著。
2.2 树种对两种尺寸试样抗剪强度差异的影响
两种试样抗剪强度的差异在不同树种间也有差异。在杉木的J区R面和G区T面的改进试样的抗剪强度平均值略为偏高,而在其他情况下都略为偏低;在I-214杨木中正好相反,除了J区R面和G区T面的改进试样的抗剪强度平均值略为偏低外,其他情况下都略为偏高或持平。从R面和T面上看,杉木改进试样抗剪强度的平均值均略小于标准试样,而I-214杨木的情况则正好相反;并且I-214杨木中,两种试样抗剪强度差异的绝对值较杉木略大。说明树种对两种试样抗剪强度差异有所影响,其原因在于阔叶树材与针叶树材结构上的差异。I-214杨木的结构比
杉木复杂,其通直性也不如杉木,因此同一净料条上的试样其剪切面有可能位于不同的年轮上,但这种差异尚未达到统计上的显著性。
2.3 与以往的研究结果和其他改进方法的比较
与以往的研究结果相比,本研究的杉木的标准试样和改进试样的抗剪强度测定值均偏高,这与树木立地条件和生长状况的差异有关。
与前文提到的改进方法[4,5]相比,本研究提出的改进试样的缩小部分不在剪切面或受载部分上,也不涉及胶合,因此与标准试样的剪切性质差异较小,试样加工更为容易,而且节约原料,为深入研究小径级木材或小尺寸木材的剪切性质提供了一个简便可行的方法。3 结论
[6]第18卷 第3期 木材工业
Berlin:Springer-Verlag,1951,887-909.
2004年5月
改进试样与标准试样的对比试验证明:两种试样的剪切强度差异不显著(0.05水平),二者的平均剪切强度相差甚小(绝对值低于3%)。因此,在试材尺寸不足以制作成标准试样测定木材的顺纹剪切性质时,可以考虑采用改进试样替代标准试样。
表2 标准试样与改进试样抗剪强度差异的方差分析Tab.2 Variationanalysisofshearstrengthinboth
sizesamplesfromtwokinds
树种
取样部位J-R
离差来源组间组内总计组间J-T
组内总计组间G-R
杉木
G-T
组内总计组间组内总计组间
M-R
组内总计组间
M-T
组内总计组间J-R
组内总计组间J-T
组内总计组间G-R
I-214杨
G-T
组内总计组间组内总计组间
M-R
组内总计组间
M-T
组内总计
自由度138391505114647174751747513435166671606115051164651222315455
离差平方和
0.0416103.6648103.70640.0062110.7625110.76870.440865.200465.64120.144296.615796.
75980.0856130.4004130.48590.00545.46955.47490.049832.489232.53890.000329.582529.
58280.375717.991718.36740.018724.966824.98550.00042.27372.27410.113451.122051.23
54
0.00040.10340.11340.9467
0.120.73060.000.9499
0.018670.3901
0.050.8275
0.37570.3598
1.040.3118
0.00030.4930
0.000.9799
0.00540.16090.04980.4923
0.100.75150.030.8560
0.08561.7622
0.050.8262
0.14421.3056
0.110.7406
0.44081.4174
0.310.5798
均方0.04162.72800.00622.2152
0.000.9579F值
P*
[3]LogemannM,SchellingM.TheFractureToughnessofSpruce
andtheMainParametersAffectingit:InvestigationsinModeII[J].HolzalsRohundWerkstoff
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差异[J].世界林业研究,国家“八五”科技攻关专集,1995,8(12):172-179.
0.020.9024
(上接第3页)
高递增阶段;o卡普片向上弯曲的矢高递减阶段;?卡普片反向弯曲的矢高递增阶段。在第
1阶段大致对应表层拉伸应力的递增阶段,o阶段对应表层拉伸应力的递减阶段,?阶段对应芯
层拉应力的递增阶段。干燥过程的矢高变化过程可用二次方程式y=ax2+bx+c表示,在矢高上
升阶段,a<0,b>0,c<0;在矢高递减及反向递增阶段,a>0,b<0,c>0。
2)用卡普片-电涡流位移传感器装置连续监测卡普片的失高变化,结果表明,在失高增大、
减小或反向增大的整个过程中,矢高均与干燥时间有紧密的相关性,其间的相关系数大部分达
到0.99以上,从而实现了干燥应力的自动、连续监测,为进一步控制木材干燥速度、指导木材
干燥加工、获得最佳干燥效益奠定基础。参考文献:
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(12).
*注:P为显著性概率,当P<0.05时组间差异显著(0.05水平)。>0.05时组间差异显著(0.05水平)。>
参考文献:
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社,1985,687-709.[2]KollmannF.TechnologyofWoodandWoodBaseMaterials[M].
范文五:木材顺纹抗拉强度试件的数控加工技术
木材顺纹抗拉强度试件的数控加工技术
【摘要】热控自动化保护系统是火电厂的重要组成部分,对于整个电厂机组的安全稳定运行具有重要作用。随着科技的发展,自动化技术不断被完善,对于保护系统统的要求也变得更高。保护系统的维护工作是其正常工作的有利保障,本文主要介绍火电厂热控自动化保护装置的维护办法。
【关键词】木材;抗拉强度;数控;加工
数控机床技术是将数字化技术直接应用在物品生产中的一种现代化技术,该技术能够直接将数字化的代码以实体化的方式把物件加工生产出来,并且其加工的形状、大小、尺寸等各个方面的数据都可以进行定制,只要设定好了各个方面的数据,便能够使用铣床来直接进行加工生产。而木材顺纹抗拉强度试件,则是对不同木材自身进行试验过程中所使用的试验试件。下文主要依据我国针对试件所颁布的相关标准来列举了一个加工案例,明确阐述了木材顺纹抗拉强度试件的数控加工技术。
1、试件加工工艺的确定
木材顺纹抗拉强度试件是在木材力学试验时常用的试件,以下将木材顺纹抗拉强度试件简称为试件。按照我国国家标准,该案例试件有八段圆弧加工面,而且要求圆弧面与拉伸段的平面准确相切,试件在X,Y,Z三个方向都要对称。同时,由于试件拉伸段的厚度只有4mm,在加工过程中易于变形,采用普通机床难以精确加工,采用手工加工方法又很难达到标准的要求。为此,我们对该类试件采用数控铣床进行加工。这种加工方法加工精确、效率高,成品完全符合国家标准试件的要求。
在对试件进行加工之前,必须要先加工出一个和试件各项数据基本相同的毛坯。其毛培的加工材料应当严格根据相关标准来进行选择,毛坯的总体形状首先要是长方形,而试件的宽度和高度之比则必须要比试件的相关数据少打,通常情况下,都要在高和宽这两个不同的方向选定一个适合的精细加工处理面,并且其加工面必须要保证是完全垂直的。此外,为了能够使得加工过程中的夹紧变得更加的便捷,其加工材料的长度方面就应当预留出一定的长度,本文案例在进行了各个方面的综合考虑之后,其试件自身的毛坯尺寸最终确定为470x24x19mm,而数控机床所加工出来的试件两端头的长度必须要比实际试件的长度多出5mm,而试件长度方向的尺寸则最终使用锯机来进行确定。下锯点分别A点或M点左侧5mm处,采用轮廓铣削的方式进行加工。其最薄处只有4mm厚。加工过程中极易变形,甚至断裂,所以从加工工艺角度考虑,首先加工轮廓,然后再加工轮廓。试件两端的加工余量为2mm,而中部的加工余量较大,分别为
4.5mm和7.5mm,可以根据试件材性的不同制定1到3次完成的相应加工工艺。
2、试件夹紧装置的设计
0,c>0;在矢高递减及反向递增阶段,a>0,b>