竹材弧形原态重组胶合性能研究及弧形竹片精铣机研制

摘要

竹材弧形原态重组是仿生学运用在竹材加工领域中的一种新的高效利用方式，它保留了竹材弧形天然结构，大大提高了竹材利用率，可制造强度较高的结构材料，具有广泛市场和应用前景。目前，对竹材原态重组材料工艺和设备已开展了部分研究，但基于竹材弧形原态重组材胶合性能及精加工关键设备研究还未见报道。本文研究内容为:研究弧形重组单元的制备工艺，借助于有限元模拟分析竹材弧形单元的物理力学性能，研制专用弧形竹片精铣机，同时对弧形单元的表面润湿性能和粗糙度进行研究，掌握制备工艺与胶合强度的关系，研究胶合界面的微观形态，探索应力应变分布，建立宏观胶合性能与微观性质之间的关系，进而实现竹材弧形原态重组胶合的优化设计。研究成果可为弧形重组单元的制备、竹材弧形原态重组胶合的设计开发提供重要的技术基础和理论依据。
　　本论文的主要研究工作与成果总结如下:
　　(1)提出了竹材弧形重组胶合单元制备工艺，进行了有限元和数学建模分析，结果表明:弧形竹片加工工艺为毛竹——截断——按竹直径分级——破竹——粗铣（去青、去黄）——干燥——精铣（弧形竹片）;弧形重组单元截面的抗弯能力强于矩形重组单元，竹材弧形截面梁的应力、转角和挠度小于竹材矩形截面梁的应力、转角和挠度，并用理论计算进行了验证。
　　(2)开发了弧形竹片精铣机，可实现弧形竹片的加工厚度为6～9mm，加工宽度为25～45mm，加工最小长度为600mm，设备运行平稳，满足胶合生产要求。
　　(3)通过接触角测试仪对弧形重组单元表面润湿性能进行了研究。结果表明:蒸馏水、UF和P-MDI在精铣和粗铣弧形竹片竹青面上的润湿性比竹黄面的更优，精铣弧形竹片比粗铣弧形竹片的润湿性更优;蒸馏水在精铣弧形竹片上的渗透性能较好，UF和P-MDI的渗透性能相差不明显;弧形竹片类型、竹面和胶黏剂对接触角影响极其显著，在初始接触角和平衡接触角上显著水平达到0.0001，三者共同作用能对接触角产生重要影响。
　　(4)通过表面粗糙度测定仪对弧形重组单元表面粗糙度进行了研究。结果表明:精铣弧形竹片竹青面表面粗糙度Ra、Rz和Ry均值分别为4.29μm、23.7μm和32.3μm，竹黄面表面粗糙度Ra、Rz和Ry均值分别为6.22μm、33.0μm和46.9μm，显著小于粗铣弧形竹片单元的粗糙度。
　　(5)对含水率、弧形竹片类型和胶种进行胶合性能试验研究，探索了制备工艺与胶合强度的关系。结果表明:精铣弧形竹片的胶合性能优于粗铣弧形竹片的胶合性能;在垂直方向和平行方向的胶合性能几乎相当;精铣弧形竹片P-MDI比UF胶合性能更好;胶合性能在含水率为8～11％较优，随含水率增加，胶合性能下降;精铣弧形竹片P-MDI竹材弧形重组材料胶合强度为1.12MPa，吸水厚度膨胀率1.31％，可作为结构材料。
　　(6)采用扫描电子显微镜研究了弧形重组单元断裂胶合界面的微观结构，分析了不同因素对弧形重组单元胶合性能的影响。结果表明:P-MDI在竹青、竹黄的渗透性能也比UF的渗透性能好;随着弧形竹片单元含水率的增大，P-MDI在竹青和竹黄中的渗透性逐渐降低，胶合界面的力学性能降低;精铣弧形竹片表面质量较高，有利于胶黏剂的渗透;精铣弧形竹片的竹青和竹黄面表面精度高，胶合性能更优，且胶合性能接近。
　　(7)通过数字散斑相关方法测试竹材弧形原态重组材料在不同载荷条件下的应变分布，对应力应变和界面断裂位移曲线进行了研究。结果表明:不同的粗糙度、不同的胶黏剂压制的竹材弧形原态重组材应变分布变异较大;垂直和平行于竹青面加载时，精铣弧形竹片、P-MDI胶合界面在断裂前承受载荷的时间比粗铣弧形竹片、UF胶合的长，且精铣弧形竹片、P-MDI的胶合界面在断裂时位移大，前后两者位移时间关系之间的斜率几乎相同。精铣弧形竹片、P-MDI胶合承受的最大载荷以及挠度比粗铣弧形竹片、UF胶合的大，表明精铣弧形竹片、P-MDI胶合性能更优。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 竹材原生态特性

1．3 竹材弧形原态重组技术及关键设备的特点及研究意义

1．4 国内外研究现状

1．4．1 竹材重组材料研究进展

1．4．2 竹材弧形重组材料制造技术的研究进展

1．4．3 竹材重组加工关键设备研究现状

1．4．4 竹重组材胶合性能研究进展

1．5 研究的主要内容及重点解决问题

1．5．1 研究的主要内容

1．5．2 重点解决的问题

1．5．3 预期目标

1．6 技术路线

1．7 项目支持与经费来源

第二章 弧形重组单元的制备及有限元模型分析

2．1 竹材弧形重组单元的制备

2．1．1 试验材料及设备

2．1．2 弧形竹片制备工艺

2．2 弧形竹片的有限元模型分析

2．2．1 弧形竹片有限元模型建立

2．2．2 模型验证

2．3 小结

第三章 弧形竹片精铣机的研制

3．1 弧形竹片精铣加工原理

3．2 弧形竹片精铣机研制

3．2．1 设备工作原理

3．2．2 整机总体结构设计

3．2．3 设备主要技术参数

3．2．4 进料输送装置设计

3．2．5 对中定位定宽系统设计

3．2．6 竹青竹黄弧铣系统设计

3．2．7 输出系统装置设计

3．3 弧形竹片精铣机评价与创新点

3．3．1 设备评价

3．3．2 创新点

3．4 小结

第四章 弧形重组单元表面润湿性能和粗糙度

4．1 弧形竹片表面润湿性

4．1．1 试验材料与方法

4．1．2 试验结果与分析

4．2 精铣和粗铣对竹材弧形单元粗糙度

4．2．1 试验材料与方法

4．2．2 试验结果与分析

4．3 小结

第五章 竹材弧形原态重组材制备工艺与胶合性能的关系

5．1 前期研究基础

5．2 试验材料及编号

5．3 测试标准

5．4 结果与分析

5．4．1 弧形竹片胶合弹性模量

5．4．2 弧形竹片胶合静曲强度

5．4．3 弧形竹片胶合水平剪切强度

5．5 胶合性能指标

5．6 小结

第六章 竹材弧形原态重组材料界面微观形态

6．1 试验材料和方法

6．1．1 试验材料

6．1．2 试验设备

6．1．3 试验方法

6．2 结果和分析

6．2．1 在不同胶黏剂条件下胶合界面的微观结构

6．2．2 在不同竹片含水率条件下胶合界面的微观结构

6．2．3 在精铣和粗铣条件下胶合界面的微观结构

6．3 小结

第七章 竹材弧形原态重组胶合机理分析

7．1 试验材料及试验方法

7．1．1 数字散斑测试原理及方法

7．1．2 试验材料

7．1．3 试验设备

7．1．4 试验方法

7．2 试验结果和分析

7．2．1 不同加载条件下应变分布

7．2．2 不同粗糙度条件下破坏应变分布

7．2．3 不同胶黏剂条件下应变分布

7．2．4 不同粗糙度下三点弯曲破坏过程位移-时间关系图

7．2．5 不同胶黏剂条件下三点弯曲破坏过程位移-时间关系图

7．2．6 不同粗糙度下三点弯曲破坏过程载荷-位移关系曲线

7．2．7 不同胶黏剂条件下载荷-位移关系曲线

7．3 小结

第八章 结论与建议

8．1 结论

8．2 建议

参考文献

在读期间的学术研究

导师简介

致谢