木材干燥應(yīng)力研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)*

付宗營(yíng) 蔡英春 周永東

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 國(guó)家林業(yè)和草原局木材科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100091；2.東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 哈爾濱 150040)

干燥是木材加工利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，木材構(gòu)造上各向異性以及干燥過程中含水率分布不均導(dǎo)致的干縮差異是干燥應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因。干燥應(yīng)力會(huì)引起開裂、翹曲、皺縮等干燥缺陷，嚴(yán)重制約木材的高效加工利用，對(duì)于木材干燥應(yīng)力的研究一直是木材干燥領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)?？偨Y(jié)而言，干燥應(yīng)力的研究方法主要包括試驗(yàn)檢測(cè)和模型預(yù)測(cè)2方面。試驗(yàn)檢測(cè)是研究干燥應(yīng)力的最直接方法，關(guān)于干燥應(yīng)力研究的試驗(yàn)方法較多，但每種方法均存在各自優(yōu)勢(shì)和不足。模型預(yù)測(cè)是研究干燥應(yīng)力方便、快捷的手段，一定程度上可以實(shí)現(xiàn)干燥應(yīng)力的定量分析，避免試驗(yàn)中數(shù)據(jù)點(diǎn)的限制和測(cè)試誤差等問題， 但模型構(gòu)建需要進(jìn)行必要的假設(shè)，模型能否精確、全面描述木材干燥這一物理過程是預(yù)測(cè)成敗的關(guān)鍵。

木材干燥應(yīng)力的研究綜述一般是從試驗(yàn)測(cè)定和數(shù)值計(jì)算2方面進(jìn)行歸納分析，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究報(bào)道較多(李大綱， 2001； 余雁等， 2002； 蔣佳荔等， 2005)，而國(guó)外關(guān)于木材干燥應(yīng)力的詳細(xì)總結(jié)則不多見，只是將其作為木材干燥綜述的一個(gè)章節(jié)。近15年來，關(guān)于木材干燥應(yīng)力的研究綜述國(guó)內(nèi)外均未見報(bào)道，雖然這期間干燥應(yīng)力研究未取得變革性成果，但較之前也有了長(zhǎng)足進(jìn)步，有必要對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行總結(jié)歸納，以推動(dòng)干燥應(yīng)力研究向更深層次發(fā)展。鑒于此，本文從木材干燥應(yīng)力研究的主要試驗(yàn)手段和模型方法2方面入手，對(duì)比分析各種方法的優(yōu)勢(shì)和不足，并提出干燥應(yīng)力未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

1 干燥應(yīng)力研究的試驗(yàn)方法

試驗(yàn)檢測(cè)是研究干燥應(yīng)力的最直接方法，長(zhǎng)期以來研究者提出多種方法用于干燥應(yīng)力的試驗(yàn)表征，其中包括傳統(tǒng)的叉齒法、切片法，研究相對(duì)較多的聲發(fā)射法、傳感器法以及當(dāng)前流行的數(shù)字圖像法和近紅外光譜法等； 此外，還包括卡普法、差異干縮法、微波投射法等一系列測(cè)試方法。這些方法在干燥應(yīng)力研究方面發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)作用，但也存在著不足和局限。

1.1 叉齒法和切片法

叉齒法是干燥應(yīng)力的傳統(tǒng)檢測(cè)方法，主要將不同干燥階段的木材試件取出鋸成應(yīng)力叉齒，根據(jù)叉齒變形情況判斷干燥應(yīng)力。該方法可用于干燥應(yīng)力的模糊評(píng)估，在實(shí)際生產(chǎn)過程中被廣泛用于干燥結(jié)束后木材殘余應(yīng)力檢測(cè)。切片法是干燥應(yīng)力檢測(cè)的另一種經(jīng)典方法，最早由McMillen(1955)提出，根據(jù)彈性范圍內(nèi)干燥應(yīng)力與應(yīng)變的正比關(guān)系，通過鋸切瞬間的尺寸變化來反映干燥應(yīng)力。切片法提出后，由于其操作簡(jiǎn)單且具備一定檢測(cè)精度，被廣泛用于木材干燥過程中彈性應(yīng)變、黏彈性應(yīng)變、機(jī)械吸附蠕變等木材流變學(xué)特性的研究(戰(zhàn)劍鋒等， 2004； 2005； Hanetal.， 2017)。

1.2 聲發(fā)射法

聲發(fā)射法是較早用于木材干燥應(yīng)力研究的無損檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)干燥應(yīng)力的實(shí)時(shí)在線測(cè)試，具體方法是： 將若干個(gè)諧振壓電式傳感器貼于木材表面，由傳感器接收的彈性波經(jīng)濾波后輸入監(jiān)測(cè)儀表，根據(jù)測(cè)量木材干燥開裂時(shí)釋放應(yīng)變能產(chǎn)生的彈性波大小和頻率推測(cè)木材干燥應(yīng)力情況。聲發(fā)射法最早在木材斷裂力學(xué)研究中提出，而后被用于干燥應(yīng)力的相關(guān)研究。Booker(1994)研究認(rèn)為，聲發(fā)射信號(hào)與木材表面瞬時(shí)應(yīng)變密切相關(guān)； Schniewind等(1996)、Lee等(1996)探討聲發(fā)射信號(hào)特征與木材開裂行為的關(guān)系，將聲發(fā)射信號(hào)作為干燥過程的控制參數(shù)。此外，Kowalski等(2004a； 2004b； 2007)根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的數(shù)量和強(qiáng)度判斷干燥應(yīng)力導(dǎo)致的裂紋情況，并分析最大應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)刻。

1.3 傳感器法

傳感器法是木材干燥應(yīng)力檢測(cè)的重要方法，主要采用電阻式位移傳感器、電渦流位移傳感器、應(yīng)變式電阻傳感器、壓阻式傳感器等對(duì)干燥應(yīng)力或干縮變形進(jìn)行表征。Lazarescu(2009)應(yīng)用線性位移傳感器檢測(cè)西部鐵杉(Tsugaheterophylla)小尺寸試樣的干縮應(yīng)變，并分析預(yù)測(cè)了全尺寸試樣的干燥應(yīng)力情況。高建民等(2004)在卡普法基礎(chǔ)上，利用電渦流位移傳感器對(duì)卡普片的矢高進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了干燥應(yīng)力的連續(xù)檢測(cè)。程萬里等(2004； 2005)利用耐熱耐壓的應(yīng)變式電阻傳感器，連續(xù)測(cè)定了日本柳杉(Cryptomeriajaponica)飽水試樣在高溫高壓過熱蒸汽環(huán)境中從試件達(dá)到環(huán)境平衡條件開始直至全干狀態(tài)或明顯開裂為止的徑向收縮應(yīng)力。涂登云(2005)設(shè)計(jì)制作應(yīng)變式電阻干縮傳感器，并用該裝置研究了馬尾松(Pinusmassoniana)木材干燥過程中的應(yīng)力變化規(guī)律。

為實(shí)現(xiàn)干燥過程中木材內(nèi)部應(yīng)力的在線檢測(cè)，Peralta等(2000)提出了一種采用壓阻式傳感器測(cè)試木材內(nèi)部干燥應(yīng)力的裝置，測(cè)試時(shí)將傳感器探針插入木材內(nèi)部所測(cè)位置處，并將傳感器探針周圍孔徑收縮產(chǎn)生的壓縮力轉(zhuǎn)化為應(yīng)力信號(hào)，但傳感器的尺寸、剛度以及與木材的接觸情況等均會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。針對(duì)以上問題，研究者探討了傳感器尺寸大小、探針包裹材料、探針插入木材內(nèi)部方向等因素對(duì)檢測(cè)精度的影響(Allegrettietal.， 2004； 2005； 2008； Ferrarietal.， 2010)。此外，Diawanich等(2010； 2012)開發(fā)了一種干燥應(yīng)力測(cè)試裝置，該裝置主要測(cè)力元件是與半鋸切試件相連接的壓力傳感器，利用切片法對(duì)裝置測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，證實(shí)了其在干燥應(yīng)力檢測(cè)方面的可行性；Tomad等(2012)利用該裝置研究了濕度條件變化對(duì)橡膠木干燥應(yīng)力的影響。

1.4 光學(xué)測(cè)量法

數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation, DIC)技術(shù)是一種非接觸式現(xiàn)代光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，主要通過捕捉分析干燥過程中木材表面的變形情況間接反映干燥應(yīng)力。該技術(shù)始于20世紀(jì)80年代，在材料科學(xué)和工程技術(shù)等領(lǐng)域尤其在力學(xué)表征方面有著廣泛應(yīng)用，但在木材干燥過程中形變和應(yīng)力的表征方面起步較晚。Kifetew(1996)介紹了一種采用網(wǎng)格劃分檢測(cè)木材干燥過程中表面應(yīng)變場(chǎng)的方法，該方法就是基于DIC技術(shù)相關(guān)原理。Kwon(2005)探討DIC技術(shù)在木材干縮變形檢測(cè)方面的可行性，并利用所測(cè)參數(shù)對(duì)干燥應(yīng)力進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)。隨著DIC技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，木材干燥過程中形變的連續(xù)、可視化測(cè)量逐漸被研究報(bào)道，同時(shí)測(cè)試維度也由二維提升到三維，更適用于木材這種各向異性的材料。Kang等(2011a； 2011b)采用DIC技術(shù)對(duì)木材干燥過程中的表面應(yīng)變進(jìn)行可視化檢測(cè)，由應(yīng)變?cè)茍D可清晰觀察到應(yīng)力集中現(xiàn)象。Peng等(2011； 2012)采用三維DIC系統(tǒng)對(duì)北美短葉松(Pinusbanksiana)木材3個(gè)紋理方向以及沿生長(zhǎng)輪方向的干縮差異進(jìn)行了表征。付宗營(yíng)等(2014)、付宗營(yíng)(2017)基于DIC技術(shù)原理研究白樺(Betulaplatyphlla)橫截圓盤干燥過程中的流變學(xué)特性，并據(jù)此分析了干燥應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展情況。此外，Mallet等(2018)利用DIC技術(shù)對(duì)比研究經(jīng)表面開槽處理的板材和未處理材在潤(rùn)濕和干燥過程中的表面應(yīng)變差異，得到了全場(chǎng)應(yīng)變分布云圖。

近紅外光譜法是基于光學(xué)原理的一種無損檢測(cè)方法，在木材密度、含水率、力學(xué)性能等方面有一定應(yīng)用，近幾年逐漸被用于木材干燥特性和干燥應(yīng)力的相關(guān)研究。Watanabe等(2013)根據(jù)日本柳杉木材干燥過程中的近紅外光譜信號(hào)，采用偏最小二乘回歸法建立模型預(yù)測(cè)了木材表面干燥應(yīng)力。Han等(2016)采用近紅外光譜結(jié)合圖像分析技術(shù)研究了歐洲赤松(Pinusdensiflora)木材干燥過程中橫紋干縮差異和干燥應(yīng)力。以上研究表明，近紅外光譜技術(shù)在預(yù)測(cè)木材表面干燥應(yīng)力水平和檢測(cè)木材干燥過程中的應(yīng)力發(fā)展方面具有一定應(yīng)用價(jià)值。

2 干燥應(yīng)力研究的模型方法

模型預(yù)測(cè)是研究干燥應(yīng)力方便、快捷的手段，省去了試驗(yàn)所需要的人力和時(shí)間。構(gòu)建正確的干燥模型對(duì)指導(dǎo)木材干燥、提高干燥質(zhì)量具有重大意義。概括而言，用于木材干燥應(yīng)力研究的模型方法主要包括木材流變學(xué)理論模型和數(shù)值分析方法。

2.1 木材流變學(xué)理論模型

木材流變學(xué)理論是干燥應(yīng)力研究的主要方法，該理論將木材干燥應(yīng)力作用下的總應(yīng)變分為自由干縮應(yīng)變、瞬時(shí)彈性應(yīng)變、黏彈性蠕變應(yīng)變和機(jī)械吸附蠕變(Riceetal.， 1990)，采用由彈簧元件與黏壺元件組合的物理模型，如Maxwell模型、Kelvin模型、Burger模型等描述干燥應(yīng)力作用下的應(yīng)變行為。M?rtensson等(1997a； 1997b)基于木材流變學(xué)理論，以自由干縮應(yīng)變代替含水率作為控制參數(shù)，建立一維和二維本構(gòu)方程描述干燥應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。在上述研究基礎(chǔ)上，Svensson等(1999； 2002)利用流變學(xué)理論預(yù)測(cè)無瑕疵小試樣干燥過程中的應(yīng)變和應(yīng)力，對(duì)比分析了一維和二維模型的預(yù)測(cè)效果，證實(shí)一維模型完全具備預(yù)測(cè)弦向最大干燥應(yīng)力的能力。Moutee等(2007a； 2007b)基于流變學(xué)理論提出一個(gè)描述木材干燥過程的數(shù)學(xué)模型，并利用懸臂梁法對(duì)模型中參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果顯示， 所建模型可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)向、沿厚度方向的應(yīng)力分布以及殘余應(yīng)力的模擬預(yù)測(cè)。

以上研究均是對(duì)木材小試樣施加不同外部載荷以替代干燥應(yīng)力，通過調(diào)節(jié)溫度、含水率模擬干燥條件，從而構(gòu)建流變學(xué)各應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系模型?；谀静膶?shí)際干燥過程，利用流變學(xué)理論對(duì)干燥應(yīng)力的模擬也有相關(guān)報(bào)道： Wu等(1994)根據(jù)流變學(xué)理論建立本構(gòu)方程定量研究花旗松(Pseudotsugamenziesii)心材干燥過程中的應(yīng)力應(yīng)變，比較4種應(yīng)變成分對(duì)干燥應(yīng)力的影響，通過改變模型參數(shù)證實(shí)黏彈性蠕變應(yīng)變和機(jī)械吸附蠕變對(duì)干燥應(yīng)力釋放具有一定作用。Chen等(1997a； 1997b)提出包含各種應(yīng)變成分的一維應(yīng)力模型，用于模擬輻射松(Pinusradiata)板材高溫干燥過程中的應(yīng)力發(fā)展和開裂情況。Pang(2000； 2002)考慮木材的干縮、彈性應(yīng)變、黏彈性蠕變應(yīng)變、機(jī)械吸附蠕變以及溫度因素，建立輻射松板材高溫干燥過程應(yīng)力模型，該模型可描述干燥過程中應(yīng)力的發(fā)展以及汽蒸處理和終了處理過程中應(yīng)力的釋放。Langrish(2013)模擬分析間歇干燥和連續(xù)干燥條件下機(jī)械吸附蠕變對(duì)干燥應(yīng)力的影響，其認(rèn)為在常規(guī)連續(xù)干燥條件下弱化了機(jī)械吸附蠕變對(duì)干燥應(yīng)力的緩解和釋放作用。

相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)研究相對(duì)較少。涂登云等(2004； 2009)、Tu等(2007)基于木材流變學(xué)理論，采用彈簧和阻尼器構(gòu)建馬尾松板材干燥應(yīng)變模型，在模型中引入與木材含水率密切相關(guān)的干縮元件，解釋干燥過程中木材內(nèi)部各層應(yīng)變變化規(guī)律； 并在此基礎(chǔ)上建立了木材干燥應(yīng)力模型，只需在干燥過程中測(cè)量木材分層含水率和干縮率，便可根據(jù)所建模型較準(zhǔn)確計(jì)算出干燥應(yīng)力。Fu等(2017； 2019)、付宗營(yíng)等( 2020)基于木材流變學(xué)理論，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分別對(duì)白樺樹盤干燥過程中的彈性應(yīng)變和機(jī)械吸附蠕變進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果用于干燥應(yīng)力的描述和分析。

2.2 數(shù)值分析方法

用于干燥應(yīng)力模擬的數(shù)值分析方法主要包括有限元法、控制體積法和有限差分法等，其中有限元法使用較多。相關(guān)研究主要集中在國(guó)外，國(guó)內(nèi)未見相關(guān)報(bào)道。Ormarsson等(1998； 1999； 2000)介紹用于干燥形變數(shù)值模擬的三維理論，利用有限元法對(duì)云杉(Piceaasperata)板材干燥過程中的變形和應(yīng)力發(fā)展進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，并討論了本構(gòu)方程、材性參數(shù)、年輪方向等對(duì)預(yù)測(cè)精度的影響。Kowalski(1999)基于木材力學(xué)性能隨含水率變化建立相關(guān)模型，利用有限元法對(duì)二維初邊值問題進(jìn)行求解，并分析了木材各向異性對(duì)應(yīng)力分布及其演變規(guī)律的影響。Larsen等(2013； 2014)采用DIC系統(tǒng)對(duì)歐洲云杉(Piceaabies)橫截圓盤干燥過程中的表面應(yīng)變進(jìn)行在線檢測(cè)，并利用有限元法模型進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好一致性； 同時(shí)，試驗(yàn)還研究溫度和含水率對(duì)木材弦向拉伸強(qiáng)度的影響，并利用有限元模型模擬了溫度20 ℃、相對(duì)濕度30%條件下15 mm厚橫截圓盤的裂紋發(fā)展情況和弦向應(yīng)力變化。

Perré等(1995； 2004)、Rémond等(2007)采用物理和力學(xué)方程組描述不同干燥條件下的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布，并利用控制體積法進(jìn)行了耦合方程組求解。Salinas等(2011a； 2011b； 2015)采用控制體積法對(duì)輻射松板材干燥過程中的含水率分布和含水率梯度導(dǎo)致的應(yīng)力進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果擬合度較高，證實(shí)了該方法的可行性。同樣采用控制體積法，Pérez-Pea等(2018)對(duì)亮果桉(Eucalyptusnitens)干燥過程中弦向和徑向的干燥應(yīng)力進(jìn)行了模擬預(yù)測(cè)。此外，Kang等(2002； 2004)研究木材橫截圓盤干燥過程中的應(yīng)力情況，根據(jù)圓盤徑向方向彈性參數(shù)和機(jī)械吸附參數(shù)的差異，推導(dǎo)數(shù)學(xué)方程對(duì)圓盤橫截平面應(yīng)力、應(yīng)變的多樣性分布進(jìn)行描述，其認(rèn)為， 由于機(jī)械吸附蠕變的作用，干燥應(yīng)力隨含水率降低呈非線性變化； 同時(shí)，采用平面應(yīng)力公式結(jié)合菲克定律建立一維和二維分析模型預(yù)測(cè)板材干燥過程中的干燥應(yīng)力和變形，結(jié)果顯示， 在含水率分布均勻的假設(shè)前提下顯示出較高預(yù)測(cè)精度，而對(duì)實(shí)際含水率變化過程中干燥應(yīng)力的模擬則需要結(jié)合水分傳輸模型，將二維模型擴(kuò)展到三維進(jìn)行預(yù)測(cè)。Kowalski等(2007)采用微分方程描述木材橫截圓盤干燥過程中含水率和應(yīng)力分布，通過估計(jì)干燥過程中不同階段的含水率分布預(yù)測(cè)干燥應(yīng)力。

3 分析與討論

叉齒法和切片法操作簡(jiǎn)單，具備一定檢測(cè)精度，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6491—2012《鋸材干燥質(zhì)量》也規(guī)定采用這2種方法檢測(cè)木材干燥后的殘余應(yīng)力； 但主要問題在于不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，測(cè)量過程有一定時(shí)間間隔，無法實(shí)時(shí)反映干燥應(yīng)力情況。此外，采用千分尺或游標(biāo)卡尺等工具接觸式測(cè)量，人為誤差不可避免。聲發(fā)射法是較早用于木材干燥應(yīng)力研究的無損檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)干燥應(yīng)力的實(shí)時(shí)在線測(cè)試； 但作為一種間接的應(yīng)力評(píng)估方法，只能通過木材干燥開裂時(shí)釋放應(yīng)變能產(chǎn)生的彈性波大小和頻率推測(cè)干燥應(yīng)力情況，在干燥缺陷預(yù)警方面存在一定局限。

傳感器法在干燥應(yīng)力檢測(cè)方面的研究相對(duì)較多，所用傳感器也多種多樣，其主要優(yōu)勢(shì)是可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測(cè)，且可直接輸出應(yīng)力或應(yīng)變； 但由于傳感器屬于靈敏元件，檢測(cè)結(jié)果受使用環(huán)境、試驗(yàn)操作、試樣測(cè)試位置等因素影響較大。如應(yīng)變式電阻傳感器檢測(cè)結(jié)果容易受使用環(huán)境溫濕度條件、木材粘貼面粗糙度、膠黏劑固化程度的影響； 壓阻式傳感器可用于木材內(nèi)部干燥應(yīng)力檢測(cè)，但傳感器自身體積大小、傳感器插入木材內(nèi)部位置、溫濕度變化條件等均會(huì)影響檢測(cè)精度。此外，在高溫高壓、高頻真空等特種干燥方式下傳感器的使用也受限制。

近年來，DIC和近紅外光譜等光學(xué)測(cè)量技術(shù)逐漸被用于木材干燥特性和干燥應(yīng)力的相關(guān)研究。光學(xué)測(cè)量技術(shù)一般為非接觸式測(cè)量，能夠?qū)崿F(xiàn)干燥過程中木材表面干縮應(yīng)變?nèi)珗?chǎng)及可視化檢測(cè)，一定程度上可反映木材表面干燥應(yīng)力的變化和分布情況，為研究應(yīng)力集中和表裂提供有價(jià)值的信息，但無法實(shí)現(xiàn)木材內(nèi)部干燥應(yīng)力檢測(cè)。此外，卡普法、差異干縮法、微波投射法等也被嘗試用于干燥應(yīng)力的檢測(cè)，但均未得到推廣應(yīng)用。綜上而言，一直以來研究者們從多種角度出發(fā)探討有效的干燥應(yīng)力檢測(cè)方法，雖然取得一定進(jìn)展，但至今仍沒有一種方法具備絕對(duì)的檢測(cè)精度和實(shí)際推廣應(yīng)用條件，干燥應(yīng)力的快速、精準(zhǔn)、連續(xù)檢測(cè)依舊是木材科學(xué)領(lǐng)域尚未解決的問題。

干燥應(yīng)力研究中，由于數(shù)據(jù)點(diǎn)的限制和測(cè)試誤差等，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥應(yīng)力的全面描述，而模型方法是干燥應(yīng)力定量分析的快捷、有效手段。木材流變理論是基于木材自身材料學(xué)特性的干燥應(yīng)力模擬方法。早期流變學(xué)理論將干燥應(yīng)變粗略地分為彈性變形和塑性變形，所建模型無法全面描述木材干燥過程中的應(yīng)力行為，適用范圍具有局限性。隨著木材流變學(xué)理論的發(fā)展和完善，機(jī)械吸附蠕變逐漸被認(rèn)知，其在干燥應(yīng)力釋放方面發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前木材流變學(xué)理論將干燥應(yīng)變細(xì)分為無干燥應(yīng)力作用下的自由干縮應(yīng)變以及干燥應(yīng)力引起的彈性應(yīng)變、黏彈性蠕變應(yīng)變和機(jī)械吸附蠕變，充分考慮這4種應(yīng)變的應(yīng)力模型，可實(shí)現(xiàn)干燥應(yīng)力作用下應(yīng)變行為的準(zhǔn)確描述，有助于建立適用性更廣的干燥應(yīng)力模型，并實(shí)現(xiàn)應(yīng)力轉(zhuǎn)向、應(yīng)力釋放和開裂行為的預(yù)測(cè)。而將木材流變理論應(yīng)力模型與現(xiàn)有木材干燥熱質(zhì)傳遞模型相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)干燥過程中含水率梯度和溫度分布的模擬預(yù)測(cè)，從而達(dá)到利用應(yīng)力模型優(yōu)化干燥工藝的目的。

數(shù)值分析法是干燥應(yīng)力模擬的另一種方法，主要包括有限元法、控制體積法和有限差分法等，其中有限元法使用較多。這是因?yàn)橛邢拊ㄊ且环N近似求解一般連續(xù)域問題的數(shù)值方法，其可以成功處理應(yīng)力分析中各向異性材料、非線性應(yīng)力應(yīng)變模擬以及復(fù)雜邊界條件等問題，在木材干燥應(yīng)力數(shù)值模擬方面具有一定優(yōu)勢(shì)。盡管模型方法是干燥應(yīng)力定量分析的快捷、有效手段，但模型均建立在對(duì)材料本身和物理過程進(jìn)行相關(guān)假設(shè)的基礎(chǔ)上，與實(shí)際物理過程存在一定偏差，適用性較好、檢測(cè)精度較高的模型勢(shì)必依賴于準(zhǔn)確可靠的材性參數(shù)和物理過程參數(shù)，而這些參數(shù)須以試驗(yàn)檢測(cè)為基礎(chǔ)。因此，試驗(yàn)手段和模型方法對(duì)于干燥應(yīng)力研究均具有不可替代的作用，二者相結(jié)合是全面研究干燥應(yīng)力的關(guān)鍵。

4 展望

木材干燥過程中干燥應(yīng)力在線檢測(cè)是木材加工研究的一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，現(xiàn)階段木材實(shí)際窯干控制過程中仍然缺乏操作簡(jiǎn)單、精度可靠的干燥應(yīng)力連續(xù)在線檢測(cè)裝置。傳統(tǒng)的叉齒法和切片法依舊是木材干燥應(yīng)力、應(yīng)變檢測(cè)的常規(guī)方法，數(shù)字圖像、近紅外光譜等現(xiàn)代化技術(shù)手段為干燥應(yīng)力、應(yīng)變研究提供了新的契機(jī)。因此，探索尋求能夠快速、精準(zhǔn)、連續(xù)檢測(cè)木材干燥應(yīng)力的新裝置或新技術(shù)依然是未來的研究重點(diǎn)。一方面，要在現(xiàn)有檢測(cè)方法基礎(chǔ)上，針對(duì)存在的問題進(jìn)行優(yōu)化完善，提高現(xiàn)有檢測(cè)方法的測(cè)試精度和可操作性； 另一方面，要開發(fā)新的干燥應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試方法或裝置。未來，干燥應(yīng)力檢測(cè)技術(shù)應(yīng)與干燥設(shè)備控制儀表相結(jié)合，將干燥應(yīng)力作為木材干燥過程的監(jiān)控參數(shù)之一，即在目前僅以含水率作為監(jiān)控參數(shù)的干燥基準(zhǔn)中加入干燥應(yīng)力指標(biāo)控制干燥制品的質(zhì)量，以便在干燥應(yīng)力接近木材所能承受的極限水平時(shí)采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施，達(dá)到干燥缺陷預(yù)警的目的。

在干燥應(yīng)力模擬預(yù)測(cè)方面，木材流變學(xué)理論模型日趨完善成熟，對(duì)于干燥應(yīng)力的模擬進(jìn)入一個(gè)瓶頸階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及ANSYS、ABAQUS等數(shù)值分析軟件的逐漸強(qiáng)大，有限元法將成為木材干燥應(yīng)力模型研究最具潛力的數(shù)值分析方法。未來主要研究方向和發(fā)展趨勢(shì)包括以下3方面： 1) 當(dāng)前干燥應(yīng)力模型研究主要集中于宏觀尺度，結(jié)合木材自身的多尺度、多層級(jí)結(jié)構(gòu)特征，將干燥應(yīng)力模型研究深入至微觀、超微觀尺度，實(shí)現(xiàn)對(duì)干燥應(yīng)力的多尺度描述和機(jī)理闡明是未來的發(fā)展方向； 2) 構(gòu)建適用性較好的模型，其前提是對(duì)模型中所涉及參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)算，因此利用現(xiàn)代儀器設(shè)備和技術(shù)手段對(duì)模型中所需參數(shù)的精準(zhǔn)測(cè)算是提高模型預(yù)測(cè)精度和適用性的關(guān)鍵所在； 3) 構(gòu)建模型的主要目的是服務(wù)于實(shí)際應(yīng)用，若通過模型計(jì)算快速得到結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，必須將干燥模型納入干燥設(shè)備控制系統(tǒng)，這要求所建模型既能較好地描述實(shí)際干燥過程，又相對(duì)簡(jiǎn)單、易于求解。