冻结与非冻结木材中应力波传播速度规律研究

论文摘要

为深入探讨冻结与非冻结木材中应力波传播速度变化规律,以期为基于应力波的立木、原木及板材的力学性质评估、内部缺陷检测等提供理论依据和科学指导。以东北林区比较具有代表性的红松（Pinus koraiensis）和大青杨（Populus ussuriensis）两树种木材作为试验材料,较系统地分析了温度、含水率（MC）、木材纹理、空洞缺陷等对应力波传播速度和传播时间等值线的影响,并讨论了冻结与非冻结木材力学特性与应力波传播速度之间的关系,初步揭示了冰点以下温度对木材力学特性和应力波传播速度的影响机理。本研究主要内容包括：①采用差示扫描量热仪DSC对湿木材试样进行降温（20℃到-60℃）和升温（-60℃到20℃）扫描,研究了温度变化对木材内部水分状态和含量的影响；②气干和饱湿状态下,温度分别为-20℃、-5℃、5℃和20℃时,测试了试样的抗弯弹性模量、抗弯强度、顺纹抗压强度和应力波传播速度,分析了各参数随温度变化规律,讨论了抗弯弹性模量、抗弯强度与应力波传播速度之间的相关性；③以红松为例,分析了含水率从0到90%以上,温度从20℃到-30℃变化时,应力波传播速度变化规律；④分别以大青杨原木径切板和圆盘为试验对象,获取了应力波在冻结与非冻结无缺陷样本、含不同大小空洞样本径切面和横截面的传播时间矩阵,绘制了传播时间等值线,分析了温度、纹理及缺陷对应力波传播速度和传播时间等值线的影响,研究了应力波在木材两个典型切面的传播规律。研究结果表明：（1）在冰点以下温度,湿木材中自由水和部分结合水会依次发生相变,改变了木材的内部结构,从而会对木材的力学性能和应力波传播速度产生影响。（2）温度和含水率是影响木材的抗弯弹性模量、抗弯强度及顺纹抗压强度等力学性能和应力波传播速度的两个重要因素。随温度降低,各力学指标及应力波传播速度均在逐渐增大。但是,气干材和饱湿材的变化曲线存在差异。气干材各参数随温度降低是近似线性增大；而饱湿材则不同,其变化曲线存在拐点,在20℃到-5℃之间增大较缓慢,但在-5℃到-20℃之间增大较快。冻结与非冻结木材抗弯弹性模量、抗弯强度与应力波传播速度之间均具有较显著的线性正相关性,相关系数R介于0.60～0.83。（3）气干状态下,红松和大青杨心材、边材中应力波纵向传播速度随温度降低近似线性升高。-20℃时,红松和大青杨心材中速度分别比20℃时高730 m/s和693 m/s,提高16.02%和18.07%；边材中,为733 m/s和589 m/s,提高17.23%和14.95%。饱湿状态下,应力波传播速度随温度降低也在逐渐升高,但变化趋势为非线性。-20℃时红松和大青杨心材中速度分别比20℃时高1043 m/s和1177 m/s,提高33.49%和38.62%；边材中,为1050 m/s和1164 m/s,提高33.96%和37.90%。（4）不同温度时,木材中应力波传播速度随含水率增加均在逐渐下降。其中,在纤维饱和点（MC=32%）以下,随含水率增大传播速度下降幅度较大；而在纤维饱和点上,下降幅度逐渐平缓。当木材含不同含水率时,应力波传播速度随温度降低呈逐渐上升趋势。其中,含水率低于50%时,传播速度随温度降低呈线性上升趋势,在0℃附近变化趋势是连续的；而含水率高于50%时,传播速度在0℃上下有较明显的跳跃,这主要是由于木材中大量自由水发生相变引起的。（5）木材中,应力波纵向传播速度高于径向速度。与纵向相比,径向传播速度受温度影响变化较大。在不同温度,应力波传播速度与纹理角θ（传播方向与木纤维方向夹角）之间的关系存在较高一致性。随纹理角θ增大,速度在逐渐降低。其中,当θ<45°时,速度下降较快；而当0>45°时,速度下降较平缓。（6）在冻结与非冻结木材径切面和横截面,应力波均是由近及远逐渐传播。冻结木材中应力波传播更快。空洞对应力波传播时间有显著影响,且空洞对其后面紧邻的区域影响较大,在该区域传播时间会产生“滞后”。随着空洞面积的增大,应力波传播到空洞后面各测点的时间有增加的趋势。（7）弦向角对应力波在原木横截面内传播速度具有显著影响。随弦向角θ增加,应力波传播速度均呈非线性增大。当θ<36°时,传播速度增加幅度较大；当θ>36°时,传播速度增加趋于平缓。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 应力波定义界定
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 常温状态下应力波在木材中传播规律研究
• 1.3.2 应力波在木材性质及内部缺陷检测中的应用
• 1.3.3 冻结对木材生理物理特性影响
• 1.3.4 环境温度及木材含水率对应力波传播参数的影响
• 1.3.5 存在的问题
• 1.4 论文研究的主要内容及框架
• 1.5 论文研究的创新点
• 1.6 本章小结
• 2 冻结木材水分存在状态及含量定量分析
• 2.1 引言
• 2.2 材料及方法
• 2.2.1 材料准备
• 2.2.2 测试仪器及方法
• 2.3 结果及分析
• 2.3.1 测试结果
• 2.3.2 冻结木材内部水分存在状态判定
• 2.3.3 冻结木材内部水分含量计算
• 2.3.4 冻结木材内部水分DSC曲线差异分析
• 2.4 本章小结
• 3 冻结与非冻结木材力学特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验设备
• 3.2.3 试样温度控制与含水率调节
• 3.2.4 抗弯弹性模量测试
• 3.2.5 抗弯强度测试
• 3.2.6 顺纹抗压强度测试
• 3.3 冻结与非冻结木材抗弯弹性模量对比分析
• 3.3.1 气干材抗弯弹性模量
• 3.3.2 饱湿材抗弯弹性模量
• 3.3.3 气干材与饱湿材抗弯弹性模量比较
• 3.4 冻结与非冻结木材抗弯强度对比分析
• 3.4.1 气干材抗弯强度
• 3.4.2 饱湿材抗弯强度
• 3.4.3 气干材与饱湿材抗弯强度比较
• 3.5 冻结与非冻结木材顺纹抗压强度对比分析
• 3.5.1 气干材顺纹抗压强度
• 3.5.2 饱湿材顺纹抗压强度
• 3.5.3 气干材与饱湿材顺纹抗压强度比较
• 3.6 本章小结
• 4 冻结与非冻结木材应力波传播速度研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 试验设备
• 4.2.3 试验方法
• 4.3 冻结与非冻结气干材应力波传播速度比较
• 4.3.1 心材应力波传播速度随温度变化规律
• 4.3.2 边材应力波传播速度随温度变化规律
• 4.3.3 心材与边材应力波传播速度比较
• 4.4 冻结与非冻结饱湿材应力波传播速度比较
• 4.4.1 心材应力波传播速度随温度变化规律
• 4.4.2 边材应力波传播速度随温度变化规律
• 4.4.3 心材与边材应力波传播速度比较
• 4.5 不同含水率红松木材应力波传播速度随温度变化规律
• 4.6 不同温度红松木材应力波传播速度随含水率变化规律
• 4.7 温度及含水率对红松木材中应力波传播速度的综合影响
• 4.8 本章小结
• 5 冻结及非冻结木材力学特性与应力波传播速度的关系
• 5.1 引言
• 5.2 冻结及非冻结木材抗弯弹性模量与应力波传播速度的相关性
• 5.2.1 气干材
• 5.2.2 饱湿材
• 5.3 冻结及非冻结木材抗弯强度与应力波传播速度的相关性
• 5.3.1 气干材
• 5.3.2 饱湿材
• 5.4 本章小结
• 6 冻结与非冻结板材径切面应力波传播规律试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验材料与方法
• 6.2.1 试验样本
• 6.2.2 测点布置
• 6.2.3 测试仪器及方法
• 6.3 非冻结无缺陷木材径切面应力波传播规律
• 6.3.1 纵向及径向应力波传播速度
• 6.3.2 应力波传播时间等值线
• 6.3.3 应力波传播方向与传播速度的关系
• 6.3.4 任意方向传播的应力波速度预测模型
• 6.4 冻结无缺陷木材径切面应力波传播规律
• 6.4.1 纵向及径向应力波传播速度
• 6.4.2 应力波传播时间等值线
• 6.4.3 传播方向对应力波传播速度的影响
• 6.5 非冻结木材径切面含空洞时应力波传播规律
• 6.5.1 空洞大小对纵向应力波传播时间的影响
• 6.5.2 应力波传播时间等值线
• 6.6 本章小结
• 7 冻结与非冻结原木横截面应力波传播规律试验研究
• 7.1 引言
• 7.2 试验材料及方法
• 7.2.1 试验样本
• 7.2.2 测试环境及设备
• 7.2.3 弦向角对应力波传播影响测试方法
• 7.2.4 应力波断层图像测试方法
• 7.2.5 应力波传播时间等值线测试方法
• 7.2.6 基于Matlab的应力波传播时间等值线绘制方法
• 7.3 常温无缺陷原木横截面应力波传播规律
• 7.3.1 弦向角对应力波传播速度的影响
• 7.3.2 应力波断层图像和传播时间等值线
• 7.4 冻结无缺陷原木横截面应力波传播时间等值线
• 7.5 常温含空洞原木横截面应力波断层图像和传播时间等值线
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及科研情况
• 致谢