热磨法动态压缩载荷作用木材原料解离试验与建模研究

摘要

在纤维制备过程中，热磨法是纤维原料制备的主要方法。热磨法是对木材原料进行蒸煮软化后，再利用磨片施加动载荷作用促使木材原料迅速发生弹性变形、塑性变形直至破碎解离为木材纤维的生产方法。揭示热磨法动态压缩载荷作用木材原料的解离机理可以深入的开展纤维分离基础理论研究，创新完善纤维分离理论;可以优化热磨机设计和磨片的齿形结构，提高热磨机和磨片的性能、制备纤维的质量和生产效率，有助于纤维生产中的节能降耗。本文的研究内容受国家自然基金面上项目“连续动载作用解离木纤维的分形机理与建模研究(31070499)”、教育部高等学校博士学科点专项科研基金（博导类）“基于CFD纤维分离运动特征与能量转换机理研究(20130062110005)的资助”。“热磨法动态压缩载荷作用木材原料解离试验与建模研究”具有重要的理论意义和实际应用价值。
　　通过对纤维分离生产工艺与实际工况分析，依据冲击动力学、应力波理论与加载技术，采用SHPB试验装置进行动态压缩载荷作用下木材原料的解离试验。选择不同树种杨木、桦木和水曲柳进行不同方向、含水率和应变率等试验条件下的动态压缩加载试验，研究加载方向、含水率和应变率对木材原料解离特征的影响。研究表明:弦向加载试件最易解离，径向加载次之，而轴向加载试件最难解离;全饱和试件的解离程度大于气干试件;试件的解离程度随应变率的增大而增大。杨木、桦木和水曲柳动态压缩载荷作用的解离特征试验分析，为动态压缩载荷条件下木材原料动态力学特性研究提供了理论依据。
　　通过试验分析研究动态压缩加载条件下杨木、桦木和水曲柳的动态力学特性，研究试件水分、加载应变率状况和试件密度对木材原料动力学特性的影响。研究发现:低应变率加载条件下，杨木、桦木和水曲柳试件的应力—应变曲线由线弹性阶段、屈服后弱线性强化阶段和密实化阶段三部分组成;高应变率加载条件下，杨木、桦木和水曲柳试件的应力—应变曲线没有密实化阶段;从杨木、桦木和水曲柳试件的屈服强度和抗压强度值分析表明，试件材料是应变率敏感材料;试件内的自由水在高应变率情况下主要体现为减弱木材强度的作用。研究结果为后续木材原料受动态压缩载荷作用的解离与能量耗散机制的研究，以及本构模型的建立奠定了理论基础。
　　依据木材原料动态压缩载荷作用的解离特征与动力学特性，结合材料力学、木材学等理论分析木材原料受动态压缩载荷作用发生弹性变形、塑性变形、直至破碎的解离与能量耗散机制，分析应变率对木材原料解离机制的影响，建模描述木材原料解离的能量耗散机制;建立动态压缩载荷作用下木材原料压缩解离率相关的本构模型，并通过对试验数据的统计、分析验证本构模型的准确性。研究结果表明，建立的本构模型较好的反映了动态压缩加载过程中木材试件应力—应变曲线的宏观响应，验证本构模型能够准确的反映木材原料受动态压缩载荷作用发生解离的过程，为热磨法纤维分离设备结构和参数优化提供理论支撑。
　　通过对热磨机磨片的结构、种类与功能的说明，分析了齿形结构参数设置与磨片纤维分离性能评价参数之间的联系，研究了齿槽宽度、磨齿倾角、周向齿及磨片坡度等磨片齿形结构参数对纤维分离作用机理的影响作用，并结合木材原料受动态压缩载荷作用理论与建模研究的结果，建立了一种提高木材原料受载频次的磨片齿形结构设计方法，阐释磨片齿形结构参数与纤维分离机理之间的关系，优化磨片结构设计。
　　热磨法动态压缩载荷作用下木材原料解离试验与建模研究，深入剖析了木材原料在动态压缩载荷作用下的动力学特性，木材原料受动态压缩载荷作用的解离机理;分析了磨片磨齿结构参数对磨片纤维分离作用机理的影响，揭示了磨片齿形结构参数对纤维分离的作用，为热磨法纤维制备工艺、纤维分离设备结构和参数优化设计提供了理论基础和技术支持，为进一步提高纤维制备质量和生产效率，实现生产中的节能降耗提供了可靠的保证。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题背景

1．2 纤维分离机理的研究现状

1．2．1 木纤维的分离方法

1．2．2 热磨法纤维分离机理的研究

1．3 动载作用下木材原料动力学特性的研究现状

1．3．1 动载作用下木材原料动态力学特性测试方法

1．3．2 动载作用下木材原料解离动力学特性的研究

1．4 研究的目的和意义

1．5 本文的研究内容

2 动态压缩载荷作用下木材原料解离试验研究

2．1 纤维分离生产

2．1．1 纤维分离生产工艺过程

2．1．2 纤维分离生产设备

2．2 试验方法确立

2．2．1 试验方法

2．2．2 SHPB试验原理分析

2．3 试验方案的确定

2．3．1 试验条件的确定

2．3．2 试件的制备

2．4 木材原料解离特征试验分析

2．4．1 低应变率加载试件的解理特征

2．4．2 高应变率加载试件的解理特征

2．5 本章小结

3 动态压缩载荷作用木材原料解离动力学特性的研究

3．1 试件动力学特性分析

3．1．1 应力-应变关系特性分析

3．1．2 屈服强度特性分析

3．1．3 抗压强度特性分析

3．1．4 质点速度—位移曲线关系特性分析

3．2 试件水分对试件动力学特性的影响

3．2．1 低应变率加载试件水分对试件动力学特性的影响

3．2．2 高应变率加载试件水分对试件动力学特性的影响

3．3 其它因素对试件动力学特性的影响

3．3．1 加载应变率的影响

3．3．2 试件密度的影响

3．4 本章小结

4 动态压缩载荷作用木材原料解离与能量耗散机制研究

4．1 木材原料受压缩载荷解离机制的研究

4．1．1 低应变率加载木材原料的解离机制

4．1．2 高应变率加载木材原料的解离机制

4．2 木材原料受压缩载荷能量耗散机制的研究

4．2．1 径、弦向加载木材原料能量耗散机制的研究

4．2．2 轴向加载木材原料能量耗散机制的研究

4．3 动态压缩载荷作用的木材原料率相关的本构模型

4．3．1 率相关的本构模型的建立

4．3．2 率相关的本构模型的验证

4．3．3 对率相关的本构模型的进一步探讨

4．4 本章小结

5 磨片齿形结构参数对纤维分离作用的影响研究

5．1 磨片的齿形结构分类与性能分析

5．1．1 磨片的齿形结构分类

5．1．2 磨片齿形结构的性能分析

5．1．3 磨片齿形结构参数对磨片性能与纤维分离机理的影响

5．2 提高原料受载频次的磨片齿形结构设计方法

5．2．1 设计步骤

5．2．2 磨片齿形结构设计举例及性能分析

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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