动载作用下木片断裂形貌特征与分形力学模型的研究

摘要

纤维板生产中，木片在热磨机磨片的动载作用下分离成纤维。木片断裂的形貌特征、定量描述方法和木片断裂过程中强度薄弱的方向以及能量消耗的影响因素，对热磨机纤维分离机理及其磨片优化设计研究有着重要的影响作用，是此领域研究的前沿课题之一。本文利用分形理论和断裂力学理论，主要研究了木片受剪切、冲击载荷断裂解离的形貌特征、力学性能和分形特征，通过建立动载作用下木片断裂的分形力学模型，研究了木片断裂时能量消耗的影响因素和规律。
　　本文以5种有代表性的针阔叶木材为试验材料，通过剪切断裂试验，获取各树种试件断口的图像和断裂所需的力;运用分形理论对试件的断裂方向、断裂表面形态、力学特性和分形特征进行分析，获得断口的分形维数及其与分形曲线的关系;计算分析各树种试件的抗剪强度，得到其抗剪强度薄弱的方向和条件，探讨各树种试件的抗剪强度与其断口分形维数之间的相关性。
　　通过对试件进行冲击断裂试验，获取各树种试件断口的图像和断裂所需的能;运用分形理论对试件的断裂方向、断裂表面形态、力学特性和分形特征进行分析，获得断口的分形维数及其与分形曲线的关系;计算分析各树种试件的冲击韧性，得到其冲击韧性薄弱的方向，探讨各树种试件的冲击韧性与其断口分形维数之间的相关性。
　　从热磨机磨片各分区采集试验的纤维样本，运用分形理论建立了木片研磨过程中，各分区纤维的长度、直径与纤维距磨盘外边沿距离的双对数线性回归模型，模型表明，木片研磨分离过程中，纤维长度或直径的变化具有分形性;通过对各分区纤维长度和直径分形维数的分析，揭示了研磨解离纤维时，磨片各分区纤维分离活动的特征和磨损趋向。
　　利用分形和断裂力学理论建立木片断裂的分形断裂模型和动载作用下分形力学模型;通过对木片断裂分形断裂模型和动载作用下分形力学模型的曲线分析，获得木片断裂时裂纹的初始条件和动载作用下木片断裂时对能量消耗的影响及变化规律，为热磨机及磨片的结构和参数设计提供了理论依据。
　　本文通过对材料断口分形维数计算方法的研究分析，提出了一种利用三维扫描计算材料断口分形维数的新方法，并获得了授权发明专利(ZL201310185200.4);此方法具有精度高、不受码尺限制、可重复测量计算的特点，为分形维数的计算寻找到新的途径。动载作用下木片断裂形貌特征与分形力学模型的研究，也为热磨法纤维分离机理的深入研究，实现节能降耗，提高热磨纤维质量提供理论依据和应用实践，具有重要理论意义和实际应用价值。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 纤维分离的方法及其机理的研究状况

1．2．1 纤维分离的方法及其分离理论

1．2．2 纤维分离机理的研究状况

1．3 国内外木材断裂研究的状况

1．3．1 国外木材断裂研究的状况

1．3．2 国内木材断裂研究的状况

1．4 本课题研究的内容

2 分形和断裂力学的理论基础

2．1 分形理论

2．1．1 分形理论的原理

2．1．2 分形理论的特征

2．1．3 分形理论的度量及其计算

2．1．4 分形理论在本课题研究中的基础作用

2．1．5 木材断口分形维数计算方法的研究

2．2 断裂力学理论

2．2．1 断裂的类型

2．2．2 断裂力学的基本理论

2．2．3 断裂力学在本课题研究中的基础作用

2．3 本章小结

3 木片剪切断裂断口的形貌与分形特征

3．1 剪切试验的基础条件

3．1．1 试验的目的和方法

3．1．2 试验试件和仪器设备

3．2 木片剪切断裂的形貌及分形曲线

3．2．1 剪切断口的形貌图像的提取

3．2．2 剪切断口的断裂方向和形态分析

3．2．3 剪切断口分形曲线的获得及其特征分析

3．3 剪切断口分形维数的计算与分析

3．3．1 剪切断口分形维数的计算

3．3．2 断口分形维数及其与分形曲线关系的分析

3．4 剪切断口抗剪强度的计算及方差分析

3．4．1 抗剪强度的计算及分析

3．4．2 抗剪强度的方差分析

3．5 抗剪强度与断口分形维数的相关性分析

3．5．1 横向抗剪强度与断口分形维数的关系

3．5．2 软化后横向抗剪强度与断口分形维数的关系

3．5．3 软化后纵向抗剪强度与断口分形维数的关系

3．6 本章小结

4 木片冲击断裂断口的形貌与分形特征

4．1 冲击试验的基础条件

4．1．1 试验的目的和方法

4．1．2 试验试件和仪器设备

4．2 木片冲击断裂的形貌及分形特征

4．2．1 冲击断口的形貌及图像提取

4．2．2 冲击断口的断裂方向和形态分析

4．2．3 冲击断口分形曲线的获得及其特征分析

4．3 冲击断口分形维数的计算与分析

4．3．1 断口分形维数的计算及分析

4．4 断口冲击韧性的计算及方差分析

4．4．1 冲击韧性的计算及分析

4．4．2 冲击韧性的方差分析

4．5 冲击韧性与断口分形维数的相关性分析

4．5．1 横向冲击韧性与断口分形维数的关系

4．5．2 纵向冲击韧性与断口分形维数的关系

4．6 本章小结

5 研磨解离纤维的分形特征研究

5．1 磨片各区域纤维分离机理分析

5．1．1 破碎区纤维分离机理分析

5．1．2 粗磨区纤维分离机理分析

5．1．3 精磨区纤维分离机理分析

5．2 纤维原料几何形态尺寸的采集方法

5．2．1 采集的目的和方法

5．2．2 试验材料及设备

5．3 各区域纤维形态测量及分形几何模型

5．3．1 纤维样本形态测量方法及数据处理

5．3．2 各区域纤维分形几何模型、维数及其分析

5．4 本章小结

6 木片断裂分形力学模型的建立和影响分析

6．1 木片断裂的分形力学模型建立

6．1．1 木片断裂的分形断裂模型

6．1．2 分形维数对临界扩展应力的影响

6．1．3 裂纹初始条件对断裂韧性的影响

6．2 动载作用下木片断裂的分形力学模型的建立

6．2．1 动载作用下木片受力分析

6．2．2 动载作用下木片断裂分形力学模型

6．2．3 木片断裂能量消耗的影响因素

6．3 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文及专利

致谢

个人简历

声明