数字散斑相关方法和分形理论在木材力学研究中的运用

论文摘要

材料的弹性模量是表征材料力学性能的重要参数,弹性模量及其内耗在材料的利用、改性和材料微观结构的研究中有重要的作用;在材料的无损检测中,弹性模量及其内耗的变化也是判断材料中是否有缺陷的一个重要指标。木材作为高分子、各向异性材料,其弹性模量是表示木材和木质材料抵抗变形能力的一个重要物理量。弹性模量在木材强度非破坏性试验估计中,是材料强度的预测值;在木结构稳定性设计和木质材料性能的研究中,也是一个重要力学参量。传统的测量木材的弹性模量所采用的方法以电阻应变测试方法为多。这种电测法虽然是一种成熟的力学测试方法,但是该方法是以点测量为基础的,用有限个应变片进行测试、计算。由于木材是多孔、片状且非均质各向异性的生物复合材料,由电测法测得的木材各个点力学量,不能准确地反映全场的力学信息,因此存在着很大的局限性。数字散斑相关方法（DSCM）是一种测量物体位移场的计算机辅助光学测量方法,其基本思想是基于变形前后两幅数字散斑图像的比较,从而测量出物体位移和应变。近年来,数字散斑相关方法凭借其全场、非接触、易于实现自动化等优点获得了广泛的关注,已成为一种成熟的测量方法,并已成功地应用于材料的力学测量中。采用简单、方便的瞬时测量方法,具有重大的理论和实际价值,对评价木材的使用价值,具有十分重要的指导意义。本文使用数字散斑相关方法测量了三种木材的弹性常数、等位移场、表面拟合曲线。正交各向异性材料弹性常数间的关系较为复杂,须对各向异性材料的弹性常数应满足的关系式加以研究。将实验结果带入各向异性材料不等式加以检验,结果所测的木材弹性常数满足上述的限制条件,可见,可以采用数字散斑相关方法来研究木材的力学行为。木材是一种多孔层状生物复合材料,其损伤断裂过程一般可描述为有大量微损伤成核、扩展、连接,最终导致断裂破坏。分形理论作为一门新兴的学科,它的提出为木材断裂的研究提供了新的手段。材料断裂表面具有某种随机的或统计意义上的自相似结构而被认为是一种分形结构,其断裂表面的分维值就是其表观形貌的定量表征,不同断裂表面的不同分维值在一定程度上反映了材料的内在属性。气干木材的顺纹理断裂则表现出脆性断裂的行为,木材顺纹理断裂表面具有某种随机的或统计意义上的白相似结构而具有分形结构。当Ⅰ型裂纹沿轴向扩展时,由于不同树种因其构造差异对木材断口裂纹扩展的阻力（即断裂韧性）不同,这种差异同样也表现在木材顺纹理断裂表面的形貌特征上,使顺纹理断裂韧性和断口分维数存在相关关系。本次实验表明,木材顺纹理断裂韧性和断口分维数两者呈高度正线性关系:KIC=272.42 D-588.45,R2=0.9831,分析结果表明木材的宏观力学行为与其细观构造存在着较强的关联性,应用表征断裂表面形貌的分维值来表述木材抗裂纹扩展能力是可行的,同时,分形理论也为木材断裂破坏分析提供了新的研究手段。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 文献综述
• 1 木材力学性质
• 2 数字散斑相关方法在木材科学上的运用
• 3 分形理论及其在木材科学中运用
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 试验设备
• 2.2 试材与试样
• 2.2.1 木材弹性模量试件
• 2.2.2 木材紧凑拉伸试件
• 2.3 试验原理与方法
• 2.3.1 数字散斑相关方法
• 2.3.1.1 数字散斑相关方法概述
• 2.3.1.2 数字散斑相关方法基本原理
• 2.3.1.3 制作散斑过程
• 2.3.1.4 实验装置
• 2.3.2 木材断裂韧性的测定
• 2.3.3 木材断面分维数的测量
• 2.3.3.1 分形理论概述
• 2.3.3.2 分形维数的定义
• 3 结果与分析
• 3.1 弹性模量的测定
• 3.2 压缩试件表面位移场分析
• 3.3 木材顺纹理断裂韧性的测定
• 3.4 木材断面分形维数的计算
• 3.4.1 盒式分形维数的计算
• 3.4.2 木材断口分维数
• 3.5 断裂韧性与断面分维数的关系
• 4 结论
• 参考文献
• 致谢
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• 导师简介
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