基于纖維解離高應(yīng)變率加載對木材動力學(xué)特性影響分析

許威 曹軍 花軍 陳光偉

摘 要：為解決纖維解離應(yīng)變率對木材動力學(xué)特性的影響問題，以環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木為試材，應(yīng)變率為0.001、400、700 、1 000 s，含水率為全飽和，加載方向?yàn)閺较?、弦向和軸向，測試2種試材的動力學(xué)特性，分析應(yīng)變率對木材動力學(xué)特性的影響。研究結(jié)果表明，應(yīng)變率和試材的解離程度呈正相關(guān)關(guān)系；環(huán)孔材水曲柳解離后呈細(xì)長狀，散孔材樺木解離后呈短粗狀；環(huán)孔材水曲柳弦向最易解離，散孔材樺木徑向最易解離；高應(yīng)變率加載時，環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由屈服點(diǎn)應(yīng)變分為彈性階段和屈服后弱線性強(qiáng)化階段，環(huán)孔材水曲柳內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性大于散孔材樺木；2種試材的抗壓強(qiáng)度均隨應(yīng)變率的增大而增大。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木的動力學(xué)特性均具有較強(qiáng)的應(yīng)變率敏感性，環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木均是應(yīng)變率敏感材料。

關(guān)鍵詞：木材;纖維解離;應(yīng)變率;環(huán)孔材;散孔材;動力學(xué)特性

中圖分類號：S781.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）06-0088-07

The Influence of High Strain Rate Loading on Wood Dynamic

Characteristics Based on Fiber Dissociation

XU Wei， CAO Jun， HUA Jun， CHEN Guangwei

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China; 2.College of Light Industry， Harbin University of Commerce， Harbin 150028， China）

Abstract：In order to solve the problem of the influence of fiber dissociation strain rate on the dynamic properties of wood， the ring-porous Fraxinus mandshurica and diffuse-porous birch were used as test materials， with the strain rates of 0.001， 400， 700， and 1 000 s， under fully saturated conditions and with loading directions of radial， tangential， and axial directions. The dynamic mechanical properties of the two test materials were tested， and the effect of strain rate on the dynamic characteristics of wood was analyzed.The research results showed that there was a positive correlation between strain rate and wood dissociation degree. After dissociation， Fraxinus mandshurica of ring-porous wood appeared slender while birch of diffuse-porous wood appeared short and thick. Radial direction in Fraxinus mandshurica of ring-porous wood was most easily dissociated， while tangential direction in birch of diffuse-porous wood was most susceptible. Under high strain rate loading， both Fraxinus mandshurica of ring-porous and birch of diffuse-porous woods' stress-strain curves were divided into the elastic stage and the stage of weak linear strengthening after yielding， with the non-uniformity of internal structure greater in Fraxinus mandshurica of ring-porous wood than in birch of diffuse-porous wood. The compressive strength of the two specimens increased with the increase of strain rate. The results found that the dynamic properties of Fraxinus mandshurica of ring-porous wood and birch of diffuse-porous wood had strong strain rate sensitivity， and they were both strain rate sensitive materials.

Keywords：Wood; fiber dissociation; strain rate; ring porous wood; diffuse porous wood; dynamic characteristics

收稿日期：2023-06-15

基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（博導(dǎo)類）課題（20130062110005）；黑龍江省普通本科高等學(xué)校青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃（UNPYSCT-2020216）。

第一作者簡介：許威，博士，講師。研究方向?yàn)槟静目茖W(xué)與技術(shù)、機(jī)械設(shè)計及理論。E-mail： hljhrbxw@163.com

*通信作者：花軍，博士，教授。研究方向?yàn)槟静目茖W(xué)與技術(shù)、機(jī)械設(shè)計及理論。E-mail： huajun81@163.com

引文格式：許威，曹軍，花軍，等. 基于纖維解離應(yīng)變率對木材動力學(xué)特性的影響分析[J]. 森林工程， 2023，39（6）：88-94.

XU W， CAO J， HUA J， et al. The influence of high strain rate loading on wood dynamic characteristics based on fiber dissociation[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6）：88-94.

0 引言

木材資源是人造板產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)原料，我國人均森林資源數(shù)量較少，嚴(yán)重影響了人造板產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國是世界上最大的纖維板生產(chǎn)國，在纖維板生產(chǎn)中纖維分離所消耗的能源幾乎占據(jù)其生產(chǎn)總能源的一半，直接影響纖維板產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和利潤。提升木材原料的利用率和降低纖維板生產(chǎn)中的能量消耗是提升纖維板產(chǎn)品市場競爭力的重要途徑，也是學(xué)者們研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

國外學(xué)者利用試驗(yàn)對熱磨條件下木材原料解離的動力學(xué)特性及其影響因素進(jìn)行了全面研究。Jan等利用試驗(yàn)研究了沖擊加載速度對熱磨法纖維解離時木片斷裂過程的影響，分析了斷裂形式、沖擊方向和木片尺寸等對木片斷裂過程和尺寸減小的影響。Petri等利用沖擊加載試驗(yàn)研究了溫度對蒸汽處理木材的壓縮力學(xué)性能的影響，分析了不同溫度下木材應(yīng)力和應(yīng)變的變化規(guī)律。Holmgren等利用ESHD試驗(yàn)裝置研究了蒸汽預(yù)處理對云杉動力學(xué)特性的影響，分析了溫度、應(yīng)變率和壓力對云杉動力學(xué)特性的影響。Eskelinen等利用擺錘木材力學(xué)試驗(yàn)機(jī)研究了木材原料斷裂時不同方向上沖擊力的差異，分析了裂紋擴(kuò)展路徑對沖擊力的影響。國內(nèi)學(xué)者對準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下木材的斷裂力學(xué)開展了大量研究，對熱磨條件下木材原料解離動力學(xué)特性的研究相對較少。李猛等利用聲發(fā)射技術(shù)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)研究了不同含水率杉木試件的損傷過程，對不同含水率下木材裂紋的萌生規(guī)律及起裂載荷進(jìn)行了研究。邵卓平等應(yīng)用ABAQUS軟件對木材裂紋尖端應(yīng)力場進(jìn)行了分析，并應(yīng)用“切向比正應(yīng)力準(zhǔn)則”對裂紋的起裂方向進(jìn)行了預(yù)測。田振農(nóng)等通過理論與試驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，建立了木材多尺度力學(xué)分析模型并分析了木材宏觀力學(xué)性質(zhì)和斷裂機(jī)理。張美林等通過聲發(fā)射信號對木材內(nèi)部斷裂損傷狀態(tài)進(jìn)行了評估，分析了熵值和波形特征參數(shù)與木材內(nèi)部損傷與斷裂過程的關(guān)系。木纖維解離生產(chǎn)中木材原料的含水率接近全飽和，應(yīng)變率約為1 000 s，這導(dǎo)致現(xiàn)有相關(guān)研究試驗(yàn)條件與生產(chǎn)中木材原料解離的實(shí)際情況相差較大。

本研究的目的是研究不同結(jié)構(gòu)木材原料的解離動力學(xué)特性，分析應(yīng)變率對木材原料解離動力學(xué)特性的影響，旨在提高纖維板生產(chǎn)中木材原料的利用率，降低纖維分離的能量消耗，深化木材原料研磨解離機(jī)制的研究，為纖維解離生產(chǎn)工藝參數(shù)和纖維分離設(shè)備的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)纖維板原料結(jié)構(gòu)特征和對纖維板力學(xué)性能影響作用的大小，選取東北地區(qū)硬雜木中的環(huán)孔材水曲柳（Fraxinus mandshurica）和散孔材樺木（Betula platyphylla）作為試材，試件尺寸和加載方向如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)測量了低應(yīng)變率（0.001 s）和高應(yīng)變率（400、700、1 000 s），3個方向（徑向、弦向、軸向），2種試材（水曲柳、樺木）全飽和試件的壓縮動力學(xué)特性，全飽和試件是將試件放入水中待試件含水率達(dá)到平衡狀態(tài)。每種加載試驗(yàn)做4次重復(fù)試驗(yàn)，舍棄波形不清晰、不完整以及其他因素導(dǎo)致試驗(yàn)失敗的試件。0.001 s加載試驗(yàn)在萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)測得試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線；400、700、1 000 s加載試驗(yàn)是在分離式霍普金森桿上完成，所用霍普金森桿為直徑40 mm的鋁桿，撞擊桿的長度為0.3 m，入射桿和透射桿的長度均為1.8 m，通過粘貼在入射桿和透射桿上的應(yīng)變片測定加載過程中的應(yīng)力脈沖信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理獲得加載過程中試件的全部力學(xué)特性。試驗(yàn)后對加載后的試件進(jìn)行拍照，采集試件解離后的圖像。

2 應(yīng)變率對木材動力學(xué)特性影響分析

2.1 試件受載后的形態(tài)特征

環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木試件加載后各組試驗(yàn)試件的典型解離圖像如圖2所示，對比分析各組試驗(yàn)試件的解離形態(tài)特征可以發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象。

當(dāng)應(yīng)變率為0.001 s時，環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木試件沿加載方向產(chǎn)生較大的塑性變形，試件上產(chǎn)生貫穿性裂紋，但試件幾乎未發(fā)生破碎解離。徑向加載時，裂紋首先出現(xiàn)在沿加載方向的自由端面處，隨后沿著加載方向擴(kuò)展；弦向加載時，裂紋首先出現(xiàn)在早晚材分界處，隨后沿著早晚材分界面擴(kuò)展，環(huán)孔材水曲柳試件幾乎所有早晚材分界面處均產(chǎn)生了裂紋，散孔材樺木試件只是在自由端面處產(chǎn)生少數(shù)沿加載方向的裂紋；軸向加載時，在試件表面均可見明顯褶皺現(xiàn)象，沿加載方向產(chǎn)生貫穿性裂紋。

當(dāng)應(yīng)變率為400 s時，環(huán)孔材水曲柳試件只有弦向加載試件在早晚材分解面處產(chǎn)生裂紋，散孔材樺木試件只有徑向加載試件被解離成粗大的棍狀試件，其余加載試件均只產(chǎn)生塑性變形而沒有發(fā)生解離。

當(dāng)應(yīng)變率為700 s時，環(huán)孔材水曲柳徑向加載試件被解離成形狀不規(guī)則的大塊試件，弦向加載試件被解離成大量薄片狀的試件，軸向加載試件在早晚材分解面處產(chǎn)生較少的貫穿性裂紋；散孔材樺木徑向加載試件被解離成大量棍狀的試件且試件的徑向平均尺寸小于400 s時，弦向加載試件被解離成形狀不規(guī)則的大塊試件，軸向加載試件被解離成形狀不規(guī)則的大塊試件，且試件上可見大量褶皺。

當(dāng)應(yīng)變率為1 000 s時，環(huán)孔材水曲柳徑向和弦向加載試件均被解離成大量平均尺寸小于700 s時的片狀試件，弦向加載時還解離出大量長針狀試件，軸向加載試件沿加載方向產(chǎn)生更多的貫穿性裂紋和褶皺；散孔材樺木徑向、弦向和軸向加載試件均在700 s的基礎(chǔ)上被進(jìn)一步解離，弦向加載時還解離出大量的短粗狀試件。

從整體上看，隨著應(yīng)變率的增加，環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木試件的解離程度增加；環(huán)孔材水曲柳弦向最易解離，軸向最難解離，試件解離后主要呈細(xì)長狀的小試件；散孔材樺木徑向最易解離，軸向最難解離，試件解離后主要呈短粗壯的小試件。可見，應(yīng)變率和木材試件的解離程度呈正相關(guān)關(guān)系，應(yīng)變率相同時木材試件的加載方向、密度和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻性決定了木材試件解離的難易程度；木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)對纖維解離的形態(tài)有較大的影響。

基于上述試驗(yàn)分析，在纖維板生產(chǎn)中可通過提高熱磨機(jī)的轉(zhuǎn)速提高木材原料解離的應(yīng)變率，進(jìn)而可提高木材原料的解離程度；若纖維板產(chǎn)品要求具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和相對較長纖維結(jié)構(gòu)時，可提高木材原料中硬雜木環(huán)孔材的配比；若纖維板產(chǎn)品要求具有適中的力學(xué)強(qiáng)度和較短纖維結(jié)構(gòu)時，可提高木材原料中硬雜木散孔材的配比。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

對環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木試件進(jìn)行加載試驗(yàn)，對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到每組試驗(yàn)環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)重復(fù)性較好，如圖3所示。

根據(jù)各組試驗(yàn)所得應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出：

1）低應(yīng)變率加載時，環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型多孔材料的三段式結(jié)構(gòu)，即線彈性階段、屈服后弱線性強(qiáng)化階段和密實(shí)化階段；環(huán)孔材水曲柳試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)力水平大于散孔材樺木試件，散孔材樺木試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線較為光滑，環(huán)孔材水曲柳試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在屈服后弱線性強(qiáng)化階段有較大的波動，如圖4所示。

2）高應(yīng)變率加載時，環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由屈服點(diǎn)應(yīng)變分為彈性階段和屈服后弱線性強(qiáng)化階段，如圖5所示。高應(yīng)變率加載時應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系沒有冪強(qiáng)化階段，主要是由于加載應(yīng)變率較高，沖擊載荷對木材試件所做的功無法均勻傳遞到試件內(nèi)部，試件內(nèi)部變形不均勻性加劇了試件內(nèi)部裂紋生成，使得試件在尚未進(jìn)入到密實(shí)化階段時就產(chǎn)生了宏觀裂紋而被解離。高應(yīng)變率加載時，環(huán)孔材水曲柳試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的應(yīng)力水平同樣大于散孔材樺木試件，環(huán)孔材水曲柳試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在屈服后弱線性強(qiáng)化階段的波動程度也大于散孔材樺木試件，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻性的差異在應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系上主要體現(xiàn)在弱線性強(qiáng)化階段。

由此分析可見，環(huán)孔材水曲柳內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性大于散孔材樺木，研磨解離過程中環(huán)孔材水曲柳對磨片磨齒沖擊磨損作用大于散孔材樺木，纖維板生產(chǎn)中應(yīng)合理設(shè)置不同種類木材原料的占比使得木材原料對磨片的沖擊磨損作用區(qū)域均勻以提高熱磨機(jī)磨片的使用壽命。

2.3 試件的抗壓強(qiáng)度

低應(yīng)變率加載時，試件的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有密實(shí)化階段，因此試件抗壓強(qiáng)度只分析高應(yīng)變率加載的情況，環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木各組試驗(yàn)所得試件抗壓強(qiáng)度平均值見表1，通過分析可知：

1）對于環(huán)孔材水曲柳試件，當(dāng)應(yīng)變率從400 s增加到700 s時，環(huán)孔材水曲柳徑向、弦向和軸向抗壓強(qiáng)度分別增加了23.32%、21.69%和6.54%；當(dāng)應(yīng)變率從700 s增加到1 000 s時，環(huán)孔材水曲柳徑向和軸向抗壓強(qiáng)度分別增加了1.45%和6.30%，而弦向抗壓強(qiáng)度下降了9.24%。相同加載條件下，環(huán)孔材水曲柳試件軸向加載抗壓強(qiáng)度最大，弦向加載抗壓強(qiáng)度次之，徑向加載抗壓強(qiáng)度最小，軸向加載抗壓強(qiáng)度平均分別是弦向加載抗壓強(qiáng)度和徑向加載抗壓強(qiáng)度的2.20倍和3.44倍。

2）對于散孔材樺木試件，當(dāng)應(yīng)變率從400 s增加到700 s時，散孔材樺木徑向、弦向和軸向抗壓強(qiáng)度分別增加了50.31%、33.71%和45.27%；當(dāng)應(yīng)變率從700 s增加到1 000 s時，散孔材樺木弦向和軸向抗壓強(qiáng)度分別增加了10.54%和5.95%，而徑向抗壓強(qiáng)度下降了0.71%。相同加載條件下，散孔材樺木試件軸向加載抗壓強(qiáng)度最大，徑向加載次之，弦向加載抗壓強(qiáng)度最小，軸向抗壓強(qiáng)度平均分別是徑向加載抗壓強(qiáng)度和弦向加載抗壓強(qiáng)度的3.77倍和4.90倍。

3）當(dāng)應(yīng)變率在400 s到1 000 s范圍時，相同加載條件下，環(huán)孔材水曲柳試件徑向、弦向和軸向的抗壓強(qiáng)度分別是散孔材樺木試件徑向、弦向和軸向抗壓強(qiáng)度的1.74、3.54、1.60倍。

通過分析可見，無論是環(huán)孔材水曲柳試件還是散孔材樺木試件的抗壓強(qiáng)度均具有較強(qiáng)的應(yīng)變率敏感性，環(huán)孔材和散孔材均是應(yīng)變率敏感材料；相同加載條件下，環(huán)孔材水曲柳試件的抗壓強(qiáng)度大于散孔材樺木；環(huán)孔材水曲柳軸向加載抗壓強(qiáng)度最大，弦向加載抗壓強(qiáng)度次之，徑向加載抗壓強(qiáng)度最?。簧⒖撞臉迥据S向加載抗壓強(qiáng)度最大，徑向加載次之，弦向加載抗壓強(qiáng)度最小。

在纖維板生產(chǎn)中，若能夠根據(jù)木材原料結(jié)構(gòu)配比情況合理設(shè)計進(jìn)料螺旋和熱磨機(jī)磨片齒形結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得大量木材原料能夠沿著抗壓強(qiáng)度最低的方向被研磨解離，則可以有效降低研磨過程中的能量消耗，減小研磨過程中磨片磨齒的磨損，延長磨片的使用壽命。

4 結(jié)論

1）環(huán)孔材水曲柳解離后主要呈細(xì)長狀的小試件，散孔材樺木解離后主要呈短粗壯的小試件。木材原料解離的難易程度主要受應(yīng)變率、加載方向和密度等的影響，其中應(yīng)變率越高解離程度越大。在纖維板生產(chǎn)中可根據(jù)纖維板產(chǎn)品的力學(xué)性能要求，合理選擇木材原料的種類和配比，并通過提高熱磨機(jī)轉(zhuǎn)速以提高木材原料解離的應(yīng)變率增加木材原料的解離程度。

2）環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型多孔材料的三段式結(jié)構(gòu)，但是高應(yīng)變率加載時，由于應(yīng)變率較高試件在屈服后弱線性強(qiáng)化階段就已被解離；環(huán)孔材水曲柳對磨片磨齒沖擊磨損作用大于散孔材樺木，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)合理設(shè)置不同種類木材原料的配比，使得木材原料對磨片的沖擊磨損作用趨于均勻以提高熱磨機(jī)磨片的使用壽命。

3）環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木試件的抗壓強(qiáng)度均具有較強(qiáng)的應(yīng)變率敏感性，環(huán)孔材水曲柳和散孔材樺木均是應(yīng)變率敏感材料；當(dāng)應(yīng)變率相同時，試件的抗壓強(qiáng)度主要受加載方向的影響。實(shí)際生產(chǎn)中，若根據(jù)木材原料抗壓強(qiáng)度的特性，合理設(shè)計進(jìn)料螺旋和磨片磨齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以有效降低研磨過程中的能量消耗，減小磨片磨齒的磨損延長磨片的使用壽命。

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