不同結(jié)點(diǎn)形式下黃荊木重組材T 型構(gòu)件的抗拔力與有限元分析

奚茜，楊洋，張仲鳳

（中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南省綠色家居工程技術(shù)研究中心，長沙 410004）

黃荊（Vitex negundoL.）屬于落葉速生灌木，分布廣泛，有很強(qiáng)的再生能力，資源豐富［1］，但是長期以來，人們未重視黃荊的開發(fā)利用，導(dǎo)致黃荊資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。澳大利亞是較早開始研究重組材的，早在20 世紀(jì)70 年代，他們將邊角料，如枝椏材、小徑材及制材邊角料等作為原材料，以特殊的碾壓疏解工藝，使材料形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的木束，并以其為基本單元，配以膠黏劑制造新型人造實體木材——重組木［2］。我國重組木的研究經(jīng)歷了20 多年的發(fā)展，研究者不斷改進(jìn)重組木的制造工藝和流程。當(dāng)前，重組木已進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)階段，可與國際接軌，為重組木的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)［3-4］。

家具產(chǎn)品的結(jié)點(diǎn)接合方式及接合強(qiáng)度決定了產(chǎn)品的功能與價值。在材料強(qiáng)度一定的情況下，結(jié)點(diǎn)的形式與接合強(qiáng)度對家具的安全性具有直接影響。正確選擇結(jié)點(diǎn)形式和接合方式，合理提升結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，不僅能降低材料浪費(fèi)，還能保證家具產(chǎn)品的正常使用［5］。

黃荊木重組材作為可以提高木材使用效率的新型木質(zhì)材料［6］，其家具結(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的研究十分重要。黃荊木重組材制備不易，材料有限，在其物理力學(xué)性能測試試驗中耗材量大。ABAQUS 是世界上較先進(jìn)的大型通用有限元分析軟件之一，可以模擬出各種幾何形狀，其擁有的材料模型庫可以模擬出大多數(shù)典型工程材料的性能。本研究以黃荊木重組材為原料，使用ABAQUS 軟件對黃荊木重組材制備的3 種典型家具結(jié)點(diǎn)形式的T 型構(gòu)件抗拔力進(jìn)行分析，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，探討有限元軟件在黃荊木重組材家具結(jié)點(diǎn)性能測試中運(yùn)用的可行性，為黃荊木重組材家具設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

黃荊木重組材（400 mm×400 mm×18 mm）、雙圓榫、三合一連接件、自攻螺釘。

1.2 試驗方法

試驗選用T 型構(gòu)件，對其進(jìn)行抗拔力測試［7-8］。采用板式家具常用接合方式：雙圓榫接合、三合一連接件接合、自攻螺釘接合。裝配試件時，只在圓榫外表面與榫孔的內(nèi)壁涂一層較薄的白乳膠，裝配后有少量膠液被擠出。在實驗室陳放7 d 后用萬能力學(xué)試驗機(jī)測定抗拔力，以得到極限破壞載荷［9］。

設(shè)定萬能力學(xué)試驗機(jī)的加載速度為10 mm/min，當(dāng)試件分離掉落時，試驗結(jié)束。為減少試驗誤差，每組試驗重復(fù)6 次，并記錄黃荊木重組材T 型構(gòu)件抗拔力的相關(guān)破壞載荷，結(jié)果取均值，載荷測試的精度為0.01 N［10-12］。試件固定示意圖如圖1所示。

圖1 試件固定示意圖Fig.1 Fixed schematic diagram of specimen

1.3 有限元分析

運(yùn)用傳統(tǒng)家具結(jié)點(diǎn)性能檢測方法進(jìn)行試驗時，對材料消耗較大［13-15］。因此，采用有限元軟件對模型施加載荷，分析模型產(chǎn)生的應(yīng)力與應(yīng)變，從而得到黃荊木重組材T 型構(gòu)件的抗拔力［16-17］。以有限元軟件對家具結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析步驟如圖2 所示。

1.3.1 建立模型

黃荊木重組材板材尺寸為150 mm×50 mm×18 mm，運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件自身的建模功能進(jìn)行幾何建模。模型尺寸如圖3 所示，模型如圖4 所示。為確保ABAQUS 軟件分析結(jié)果與試驗結(jié)果的差距不受模型尺寸的影響，模型與試件必須保持一致。

圖2 ABAQUS 軟件分析過程Fig.2 Analysis process of ABAQUS

圖3 T 型構(gòu)件模型尺寸Fig.3 Model size of T?type components

圖4 抗拔試件模型Fig.4 Pull?out test piece model

1.3.2 設(shè)置材料參數(shù)

在進(jìn)行軟件分析的過程中需要根據(jù)分析模型的性質(zhì)，確立單元的形態(tài)和幾何尺寸等相關(guān)單元參數(shù)，正確選擇單元類型。在進(jìn)行黃荊木重組材家具結(jié)點(diǎn)有限元分析前，需要考慮重組木縱向和橫向的力學(xué)性能差異。根據(jù)前期試驗所得到的各彈性模量和泊松比，正確定義不同方向的材料性能參數(shù)［18］。參照木材3 個方向參數(shù)，E1＝E2＝12 750.35 MPa（橫向）；E3＝88 716.00 MPa（縱向）。黃荊木重組材材料性能參數(shù)如表1 所示。

表1 黃荊木重組材材料性能參數(shù)Table 1 Material performance parameters of Vitex negundo scrimber

1.3.3 網(wǎng)格劃分

在對試件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，須對其進(jìn)行布爾運(yùn)算，才能使各零件相互間傳遞約束和載荷。在確定材料的屬性后，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成節(jié)點(diǎn)和單元［16］。網(wǎng)格劃分如圖5 所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh dividing of the model

1.3.4 加載并求解

根據(jù)黃荊木重組材T 型構(gòu)件的情況，對試件模型進(jìn)行約束條件方面的定義，對垂直板件（與地面垂直）的底部進(jìn)行約束。針對分析的不同對象，對橫向板件（與地面平行）施加向右的載荷。在完成設(shè)置后進(jìn)行求解。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃荊木重組材T 型構(gòu)件抗拔力分析

黃荊木重組材3 種接合方式下的抗拔力如圖6 所示。雙圓榫接合、三合一連接件接合、自攻螺釘接合各6 組抗拔力試驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差分別為9.65，9.43 和12.47。

圖6 3 種接合方式下的抗拔力Fig.6 Pull?out resistances under three bonding modes

從圖6 可以看出，自攻螺釘接合抗拔力比雙圓榫接合抗拔力高503.72 N，三合一連接件接合抗拔力最小，分別比自攻螺釘接合抗拔力和雙圓榫接合抗拔力小了67.9%和46.4%。

2.2 黃荊木重組材T 型構(gòu)件抗拔力有限元分析

ABAQUS 求解過程結(jié)束后，進(jìn)入后處理階段。查看輸出應(yīng)力、應(yīng)變圖形和變形情況，導(dǎo)出載荷與位移曲線圖，并對其進(jìn)行分析。

2.2.1 雙圓榫接合

采用雙圓榫接合的黃荊木重組材T 型構(gòu)件橫向板件拉力與位移曲線如圖7a 所示，雙圓榫拔出達(dá)到最大力的拉力云圖如圖7b 所示。

從圖7a 可以看出，在位移未達(dá)到0.16 mm 時，拉力迅速增大，拉力與位移成正比。當(dāng)橫向板件被拉出0.16 mm 時，拉力最大，為602.88 N。此后，拉力隨著位移的增加而減小，拉力與位移成反比，此時，橫向板件逐漸被拔出。當(dāng)位移為20.06 mm 時，橫向板件與雙圓榫完全分離。從圖7b 可以看出，拉力最大時，橫向板件被拔出，與雙圓榫分離。垂直板件的榫眼與雙圓榫產(chǎn)生的摩擦力大于橫向板件的榫眼與雙圓榫產(chǎn)生的摩擦力。由于圓榫纖維方向與橫向板件纖維方向平行，與垂直板件纖維方向垂直，垂直板件上的榫眼與圓榫的摩擦力大于橫向板件榫眼與圓榫的摩擦力。

2.2.2 自攻螺釘接合

采用自攻螺釘接合的黃荊木重組材T 型構(gòu)件的橫向板件端部拉力與位移曲線如圖8a 所示，自攻螺釘拔出達(dá)到最大力的拉力云圖如圖8b 所示。

圖8 自攻螺釘接合下的曲線圖和云圖Fig.8 Curve and cloud maps under self tapping screw joint

從圖8a 可以看出，在位移未達(dá)到4.72 mm 時，拉力迅速增大，拉力與位移成正比。當(dāng)橫向板件被拉出4.72 mm 時，拉力達(dá)到第一個波峰，此時拉力為1 243.35 N，隨后拉力開始下降，至1 155.25 N后再次反彈；當(dāng)橫向板件被拉出7.92 mm 時，拉力達(dá)到最大值，為1 257.52 N。此后，拉力曲線呈波浪狀下降趨勢，橫向板件逐漸被拔出，自攻螺釘自身固有的齒痕導(dǎo)致曲線出現(xiàn)波浪紋。當(dāng)位移為15.27 mm 時，橫向板件與自攻螺釘完全分離。從圖8b 可以看出，拉力最大時，橫向板件被拔出，與自攻螺釘分離，自攻螺釘與垂直板件相連且不分離。因此，在橫向板件向右拔出時，橫向板件逐漸與自攻螺釘分離，此時產(chǎn)生的摩擦力大于自攻螺釘與垂直板件孔洞內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力。

2.2.3 三合一連接件接合

采用三合一連接件接合的黃荊木重組材T 型構(gòu)件橫向板件端部拉力與位移曲線如圖9a 所示，三合一連接件拔出達(dá)到最大力的拉力云圖如圖9b 所示。

圖9 三合一連接件接合下的曲線圖和云圖Fig.9 Curve and cloud maps under three?in?one connector joint

從圖9a 可以看出，在位移未達(dá)到4.74 mm 時，拉力迅速增大，拉力與位移成正比。當(dāng)橫向板件被拉出4.74 mm 時，拉力達(dá)到最大值，為576.21 N。此后，拉力隨著位移的增加而減小，當(dāng)拉力減小至521.05 N 時，拉力開始再次增大，出現(xiàn)第二個波峰，此時橫向板件逐漸被拔出，拉力隨位移的增大而減小。當(dāng)位移為9.78 mm 時，預(yù)埋螺母基本被拔出，拉力迅速下降。由于預(yù)埋螺母長度為10 mm 左右，當(dāng)位移為10.10 mm 時，垂直板件與三合一連接件的預(yù)埋螺母完全分離。從圖9b 可以看出，當(dāng)橫向板件拔出方向的拉力大于預(yù)埋螺母與垂直板件孔眼的摩擦力時，預(yù)埋螺母被拔出，與垂直板件分離，此時拉力最大。

圖10 T 型構(gòu)件試驗與有限元分析結(jié)果對比Fig.10 Comparison of test results and ABAQUS analysis of T?type components

2.3 分析結(jié)果對比

黃荊木重組材3 種接合方式下的抗拔力對比如圖10 所示，黃荊木重組材T 型構(gòu)件試驗與有限元分析結(jié)果線型回歸圖如圖11 所示。

圖11 T 型構(gòu)件試驗與有限元分析結(jié)果線型回歸Fig.11 Linear regression of test results and ABAQUS analysis of T?type components

由圖10 可看出，在黃荊木重組材T 型構(gòu)件試驗與有限元分析中，3 種接合方式下T 型構(gòu)件的抗拔力和拉力排序均為：自攻螺釘接合＞雙圓榫接合＞三合一連接件接合。

將黃荊木重組材T 型構(gòu)件試驗與有限元分析結(jié)果進(jìn)行線型回歸分析發(fā)現(xiàn)，線性回歸方程為y＝0.854 8x＋131.2，決 定 系數(shù)R2＝0.848 7，即有84.87% 的數(shù)據(jù)符合方程。對于給定的顯著水平a值（0.10），通過對相關(guān)系數(shù)的檢驗，R＝0.921 2 ＞0.900 0，大于臨界值，說明黃荊木重組材T 型構(gòu)件試驗的抗拔力與ABAQUS 有限元分析中的拉力具有相關(guān)性，即有相同趨勢。

3 結(jié)論

在黃荊木重組材家具結(jié)點(diǎn)抗拔力試驗中，選取雙圓榫接合、三合一連接件接合、自攻螺釘接合3種接合方式，通過試驗與有限元軟件對3 種接合方式下的黃荊木重組材T 型構(gòu)件的抗拔力和拉力進(jìn)行了分析，并將結(jié)果進(jìn)行線型回歸分析后發(fā)現(xiàn)，黃荊木重組材T 型構(gòu)件試驗的抗拔力與ABAQUS 有限元分析中的拉力具有相同趨勢；兩種分析結(jié)果得出的3 種接合方式下T 型構(gòu)件抗拔力和拉力的排序均為：自攻螺釘接合＞雙圓榫接合＞三合一連接件接合。通過黃荊木重組材T 型構(gòu)件抗拔力試驗與有限元軟件分析可知，有限元軟件可以應(yīng)用于黃荊木重組材家具結(jié)點(diǎn)測試，為黃荊木重組材家具設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)參考。