木材順紋壓縮與多維彎曲技術(shù)研究.pdf

1、木材順紋壓縮與多維彎曲技術(shù)蘊(yùn)涵著多學(xué)科知識(shí)的交叉融合，具有一定的理論深度和顯明的應(yīng)用性，是當(dāng)今備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一。該項(xiàng)研究，特別是在木材順紋壓縮應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的建立、多維彎曲和定型技術(shù)等方面，可以填補(bǔ)迄今為止，尚無(wú)相關(guān)研究報(bào)道的缺憾。該技術(shù)可以拓寬木材應(yīng)用領(lǐng)域，是一項(xiàng)科學(xué)、合理地利用木材資源，有利于環(huán)保的新技術(shù)。在未來(lái)的木制品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，實(shí)體木材的多維彎曲可以改變木制品的造型和結(jié)構(gòu)特征，為有效地利用木材創(chuàng)造了更加廣闊的空間。<

2、br>　　本文以木材順紋壓縮與多維彎曲技術(shù)的研究為總目標(biāo)，首先將木材進(jìn)行軟化處理，優(yōu)化軟化處理方法;其次，對(duì)軟化處理后的木材進(jìn)行順紋壓縮，建立木材順紋壓縮中應(yīng)力-應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系，分析壓縮和回彈中木材的彈性、彈塑性的變化規(guī)律;第三，對(duì)順紋壓縮木材在允許的應(yīng)變范圍內(nèi)以獲得較小彎曲曲率半徑和實(shí)現(xiàn)多維彎曲，分析木材彎曲后的彈性、彈塑性的變化規(guī)律，初步建立木材單維彎曲中應(yīng)力-應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系，確定木材單維和多維彎曲的最小曲率半徑;第四，對(duì)于彎曲的曲

3、線(xiàn)形零件進(jìn)行定型處理，分析定型方法、定型過(guò)程中的各種條件變化對(duì)木材彎曲定型的影響。通過(guò)上述研究確定木材順紋壓縮與多維彎曲的技術(shù)。
　　論文以東北重要的商品材榆木和水曲柳為試材，進(jìn)行了木材順紋壓縮與多維彎曲技術(shù)的試驗(yàn)研究:
　　(1)在軟化處理試驗(yàn)中，分別對(duì)幼齡材與成熟材進(jìn)行探索性試驗(yàn)，最終確定水熱、水熱-微波以及復(fù)配堿液處理作為本試驗(yàn)的軟化處理方法，通過(guò)后續(xù)試驗(yàn)（順紋壓縮率、PDR以及彎曲曲率半徑等）的結(jié)果，對(duì)軟化后的木材，

4、通過(guò)X-射線(xiàn)衍射儀測(cè)定相對(duì)結(jié)晶度、FTIR測(cè)試木材表面性質(zhì)以及測(cè)定木材化學(xué)組分的變化等，探討幼齡材、成熟材在三種軟化處理后木材化學(xué)組成成分、相對(duì)結(jié)晶度等方面的變化規(guī)律。
　　結(jié)果表明，三種軟化處理均使木材各個(gè)化學(xué)組分產(chǎn)生不同程度的變化，特別是木質(zhì)素、半纖維素和抽提物發(fā)生了不同程度的降解，總的降解趨勢(shì)是復(fù)配堿液處理的降解幅度最大，水熱處理的降解幅度最小;成熟材的各自化學(xué)組分的降解幅度小于幼齡材;相對(duì)結(jié)晶度由于抽提物的抽出和相應(yīng)的化學(xué)

5、組分降解均有不同程度的提高;盡管幼齡材的PDR大于成熟材，但是后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果表明成熟材順紋壓縮效果好于幼齡材;水熱-微波處理中B方案更適合木材順紋壓縮。
　　(2)在順紋壓縮試驗(yàn)中，配備特制壓縮模具與力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)結(jié)合，對(duì)軟化后的木材進(jìn)行順紋壓縮。測(cè)定了應(yīng)力、應(yīng)變、順紋壓縮率和PDR等指標(biāo)，采用X射線(xiàn)微密度儀測(cè)定木材順紋壓縮前后密度變化，掃描電子顯微鏡觀察木材順紋壓縮后細(xì)胞壁褶皺的變化情況等。
　　分析得出，水熱-微波處理的順紋壓

6、縮率較大，復(fù)配堿液軟化處理的順紋壓縮率較小;順紋壓縮應(yīng)力是榆木小于水曲柳，各自的成熟材小于幼齡材;在同一順紋壓縮率下，各自幼齡材的PDR都大于成熟材;建立的順紋壓縮應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系中，各自分段區(qū)域符合線(xiàn)形的力學(xué)關(guān)系;壓縮后木材的密度變化為成熟材密度大于幼齡材，而幼齡材的密度波動(dòng)較大;分析壓縮和回彈中的木材的彈性、彈塑性、密度變化以及順紋壓縮后細(xì)胞壁內(nèi)形成褶皺的變化規(guī)律，揭示了木材順紋壓縮機(jī)理;得出適宜的木材順紋壓縮的工藝條件。

7、　　(3)在多維彎曲的試驗(yàn)中，采用圓形和S型彎曲模具與力學(xué)試驗(yàn)機(jī)配合使用，分別對(duì)木材的弦向、徑向進(jìn)行了單維和多維彎曲，掃描電子顯微鏡觀察彎曲后木材細(xì)胞壁褶皺的變化，通過(guò)調(diào)整圓形模具的半徑及采用多維彎曲模具，求出單維和多維彎曲的最小曲率半徑。
　　研究表明，木材的材性、順紋壓縮率、PDR等因素對(duì)彎曲曲率半徑有顯著的影響，幼齡材的彎曲性能不如成熟材;在彎曲過(guò)程中，彎曲拉伸面的褶皺開(kāi)始展平，而壓縮面的褶皺開(kāi)始恢復(fù)到木材壓縮時(shí)的壓縮率，而

8、最終破壞點(diǎn)是在彎曲試材拉伸面的中間部位;從初步建立的單維彎曲應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系中，得出彎曲的初始階段符合線(xiàn)形的力學(xué)關(guān)系;榆木單維和多維彎曲曲率半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水曲柳，而各自成熟材的彎曲曲率半徑都小于幼齡材，木材弦向彎曲曲率半徑小于徑向;水熱-微波軟化處理獲得的彎曲曲率半徑最小，得出了木材多維彎曲的工藝參數(shù)。
　　(4)在木材彎曲定型試驗(yàn)中，采用直接干燥、水熱-干燥、微波-干燥定型方法。通過(guò)快速檢測(cè)彎曲木材曲率回彈性，定點(diǎn)監(jiān)測(cè)彎曲木材的

9、含水率，采用預(yù)埋式探針式溫度計(jì)和點(diǎn)測(cè)溫度計(jì)，測(cè)定微波定型處理過(guò)程中木材溫度的變化。
　　綜合分析得出，纖維飽和點(diǎn)是彎曲木材回彈的分界點(diǎn)，在纖維飽和點(diǎn)以下時(shí)，回彈速度幾乎成直線(xiàn)上升，當(dāng)超過(guò)纖維飽和點(diǎn)時(shí)，回彈速度開(kāi)始緩慢增加;復(fù)配堿液軟化處理的彎曲試材，后期定型效果最好，水熱軟化處理的試材，后期定型效果最差;幼齡材的定型效果通常好于成熟材;微波-干燥定型效果最好，直接干燥定型效果最差;揭示了彎曲定型機(jī)理，討論了應(yīng)力釋放與定型的關(guān)系，分