速生林木工程结构集成材单元性能及其指接材性能的无损检测

摘要

木结构建筑具有环保、可再生利用等的特点,受到越来越多人的喜爱,但随着大径级天然森林资源日渐短缺,取而代之的是以人工速生林小径木为主的低质林木。而速生林木工程结构集成材的开发不仅可以弥补大径材、优质材等的不足,极大地提高速生木材利用率,而且可以大力促进木结构建筑的发展,具有重要的理论意义和经济价值。 工程结构集成材在胶合前应先确定其层板等级及进行合理配置,以提高集成材的强度和刚度。木材的弹性模量是等级区分的主要依据,因此,本论文通过超声波无损检测方法和FFT频谱分析检测方法对速生林木工程结构集成材单元杉木和马尾松、以及杉木指接材的动态弹性模量及其影响因子等进行了综合研究。 本论文的主要创新之处在于仅利用微机上的:FFT频谱分析程序采集大量杉木板材的共振频率,且所得到的动态弹性模量与静曲弹性模量之间呈现极显著的相关程度。 主要研究结果如下： (1)基于纵波振动的快速傅立叶变换(FFT)频谱分析检测法与基于纵波传播的超声波检测法对3种厚度的杉木的动态弹性模量进行检测,两者所得到的结果ELV和ELT之间呈显著的相关关系,且与静曲弹性模量Esr之间也都呈极显著的相关性。 (2)超声波在试样中传播的速度随着静曲弹性模量的升高而增大,两者呈正相关,且声速有随着厚度的增加有下降的趋势。同种规格杉木板材的共振频率随着静曲弹性模量的增大而增大；而不同厚度杉木板材的共振频率随着厚度的增加而有所减小。 (3)FFT频谱分析检测方法比超声波检测方法更具优势：不需要任何介质(如耦合剂),具有简单、快速等特点,且共振频率的获得不受敲击物、敲击位置、握紧位置及支座条件的影响,更易实现生产线上的连续快速检测；FFT频谱分析检测方法所获得的动态弹性模量ELV与静曲弹性模量ESF的相关性比超声波检测方法所获得的动态弹性模量ELT与静曲弹性模量ESF的相关性好且稳定；仪采用计算机上的FFT频谱分析程序对杉木板材的动态弹性模量进行分析检测,并不需要特别的无损检测仪器,成本低。 (4)同一树种为样本时,杉木的ESF与ELV相关性比马尾松略好,各规格529个杉木试件在含水率15％时的相关系数达0.965。杉木和马尾松合并为一个样本空间时,尽管马尾松的弹性模量比杉木的大,但ESF与ELV之间仍呈极显著的线性相关关系,样本数达740,相关系数为0.960,与单个树种的相关程度相近,表明FFT分析方法快速检测实际大尺寸板材的弹性模量具有普遍性意义,实用性较强。 (5)对529个大尺寸杉木板材试件和21个马尾松板材试件静曲弹性模量与气干密度之间的关系研究表明,就杉木板材而言,两者之间无显著相关性；对马尾松板来说,两者之间呈显著的相关性,相关系数为0.313。相关方程表明杉木和马尾松的静曲弹性模量均有随密度的增大而增大的趋势。 (6)杉木板材随着节子个数的增多,密度增大,而弹性模量减小；随心材率的增大,密度增大,弹性模量也减小；因此,各试件不同的节子数和心材率削弱了弹性模量与密度之间的正相关性,产生了弹性模量与密度之间相关性不显著的现象。 (7)杉木板材的共振频率与动态弹性模量ELV均随着含水率的降低而升高,但含水率的变化对于ESF与ELV的回归关系无显著影响,且可以利用含水率15％时的线性回归方程及含水率为10％～20％时的杉木板材动态弹性模量来预测其实际弹性模量。 (8)无损检测方法测得的ELV与破坏性方法测得的静曲强度MOR之间有密切的相关性,相关系数为0.623,应用相关方程可由动态弹性模量值估算静曲强度。 (9)基于无损检测方法得到的局ELV分等后的各等级的节子个数、节径比的分布均没有显著规律；方差分析结果也表明各等级的节子个数、节径比的分布无显著差异,说明目测分等的精度没有基于ELV分等的精度高。 (10)指接后杉木板材的ESF与ELV仍呈现极显著的相关关系,相关系数为0.965,其值并不低于指接前两者的相关系数；且指接对于ESF和ELV的相关性无显著影响；通过对指接前后的静曲弹性模量ESF和动态弹性模量ELV方差分析结果表明,指接对ESF和ELV都无显著影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究的目的与意义

1.2无损检测的主要方法及基本原理

1.2.1超声波检测

1.2.2微波检测

1.2.3射线检测

1.2.4机械应力检测

1.2.5振动检测

1.2.6冲击应力波检测

1.2.7 FFT频谱分析检测

1.3无损检测的研究现状与发展趋势

1.3.1无损检测技术在木材弹性模量领域的国内外研究状况

1.3.2无损检测技术在木材强度分级上的应用

1.3.3关于无损检测在木材力学性能上应用的思考

1.4集成材指接处力学性能的研究现状及进展

1.4.1国外研究情况

1.4.2国内研究情况

1.1.3关于指接集成材力学性能的思考

1.5本文研究的内容

2试验材料与设备

2.1试验材料

2.1.1材种选择

2.1.2试件制备

2.2试验设备

2.2.1加工设备

2.2.2物理、力学设备

2.2.3无损检测设备

3试验原理与方法

3.1超声波检测

3.1.1试验原理

3.1.2试验方法

3.2 FFT频谱分析检测

3.2.1试验原理

3.2.2试验方法

3.3静曲弹性模量试验

3.3.1测试原理与方法

3.3.2关于静曲弹性模量测定的说明

3.4节子个数的统计及节径比的测量

3.5心材率测定方法

3.6气干密度测定方法

4超声波检测与FFT频谱分析检测方法比较

4.1杉木的弹性模量值

4.2不同方法所测得的MOE之间的关系

4.2.1超声波检测MOE(ELT)与FFT频谱分析检测MOE(ELV)的相关性

4.2.2静曲MOE(ESF)与超声波检测MOE(ELT)之相关性

4.2.3静曲MOE(ESF)与FFT频谱分析检测MOE(ELV)之相关性

4.3超声波检测与FFT频谱分析检测方法比较

4.4小结

5速生林木动念弹性模量的FFT频谱分析检测及影响因子

5.1 FFT频谱分析方法分析敲击音快速测定木材的弹性模量

5.1.1共振频率采集的影响因素

5.1.2 FFT频谱分析方法基于纵波共振测动态弹性模量的应用

5.2杉木和马尾松板材的弹性模量值

5.3静曲MOE(ESF)与FFT频谱分析检测MOE(ELV)之间的关系

5.4弹性模量的影响因子

5.4.1密度

5.4.2含水率

5.4.3节子

5.4.4心材率

5.5小结

6杉木板材的应力分等

6.1等级区分方法

6.1.1目测分等

6.1.2机械分等

6.2杉木板材的应力分等

6.2.1各等级杉木板材的动态弹性模量ELV和静曲强度(MOR)值

6.2.2各等级杉木板材的动态弹性模量ELV和静曲强度(MOR)的相关关系

6.2.3各等级杉木板材节子个数及尺寸分布情况

6.3小结

7指接后杉木板材力学性能的无损检测

7.1指接后各等级杉木板材的弹性模量(MOE)和静曲强度(MOR)

7.2指接前后杉木板材弹性模量比较

7.2.1指接对静曲弹性模量和动态弹性模量的回归关系的影响

7.2.2指接对静曲弹性模量值和动态弹性模量值的影响

7.3小结

8结论

参考文献

致谢

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