OSB-单板复合集装箱底板刚度模型及工艺研究

论文摘要

定向刨花板-单板复合集装箱底板（OSBVCCF）是利用具有高抗剪强度的定向刨花板（OSB）芯层和较高力学性能的单板制成的多层结构用人造板,作为集装箱的主要承载配件——底板,要求具有足够的刚度、强度、耐老化性、抗疲劳性能,来保证集装箱承运货物的安全性以及必要的使用寿命。本论文以OSBVCCF为研究对象,运用断面密度仪、Pressman、激光测角仪、喷蒸压机等先进的仪器设备来进行定向刨花板和复合集装箱底板的热压工艺研究,同时综合运用VBA编程、弹（塑）性力学、正交各向异性复合材料层板理论、损伤力学、模型模拟方法,重点分析了OSBVCCF的宏观力学性能和细观结构（微薄层）之间的相互关系,建立了单板在热、压力、胶粘剂等作用下弹性模量和静曲强度与密度预测模型,进而建立了OSB弹性模量预测模型和OSBVCCF的弹性模量和静曲强度预测模型,并从理论上论证了复合底板的芯层抗剪性能优于传统的克隆底板。1.对板的热压工艺表明:1)采用一次热压成型的OSBVCCF能满足集装箱底板的要求,总的热压时间为27分;2)采用喷蒸预热工艺,可以将OSB的热压时间缩短到常规热压时间的一半（7分钟）,且压出的板的芯层抗剪切强度提高35%。3)对工厂生产出的OSB进行分析,施胶量10%比7.5%只有在芯层剪切强度上有显著差异（分别为3.4MPa、3.1MPa）,其它性能无显著性差异;4)在芯板上二次覆贴单板的热压时间以24～27分种为佳。2.分析了构成OSBVCCF的定向刨花板芯层和表层单板的材料特性。建立了各种材料的宏观力学性能与其结构参数及其它物理量之间的关系模型。分析认为OSBVCCF是由各向异性的OSB和单板组成的具有对称结构的正交各向异性层合板。3.根据复合材料层板的刚度理论,推导了复合集装箱底板的刚度矩阵,弹性常数之间的耦合效应和交叉效应可以忽略不计。在此基础上,推导出OSBVCCF的弹性模量的理论模型,形成了弹性模量预测的理论基础。4.采用层板的刚度理论,将定向刨花板细分为96薄层,根据激光测量的刨花分布角,并依据每薄层对应的密度,推断出每薄层对应的弹性模量,用VBA编程来计算出定向刨花板的弹性模量。5.基于纤维增强复合材料的混合模型和层合板刚度理论,构建单板涂胶和压力浸胶热压后的弹性模量的物理模型和数学模型。研究结果表明:1)随着胶粘剂的固化和单板的压密实,横向弹性模量也将升高,可将单板的横向弹性模量提高三倍。2)随着密度的增加,单板涂胶和压力浸胶热压后的纵向弹性模量的增加幅度不及单板无胶热压后的增加幅度。6.依据各向异性层合板的强度理论,分析了OSBVCCF分别基于线弹性应力-应变关系和弹塑性应力-应变关系的应力分布,并推导了因考虑上表某些纵向层的产生压缩屈服时中性轴的偏离量的估算公式。根据损伤力学原理和最弱环（Weakest-link）破坏理论,提出了OSBVCCF的弯曲破坏模式。构建了OSBVCCF在不同破坏模式下的静曲强度预测的理论模型。为简化计算,基于木材破坏形式,建立了复合集装箱底板与表背层相同木材的静曲强度之间的预测模型;并建立了不同跨距下底板的静曲强度预测的关系模型。

论文目录

• 致谢
• 在攻读博士学位期间的科研情况
• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 OSB-单板复合集装箱底板刚度模型及工艺研究现状
• 1.2 集装箱底板的研究及发展现状
• 1.2.1 集装箱的发展现状
• 1.2.2 集装箱底板的发展现状
• 1.2.3 传统集装箱底板与复合集装箱底板的差别
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 OSB-单板复合集装箱底板的热压工艺研究
• 1.3.2 芯层OSB的力学模型构建
• 1.3.3 OSB-单板复合集装箱底板的结构
• 1.3.4 建立OSB-单板复合集装箱底板的实验室的判定方法
• 1.4 OSB-单板复合集装箱底板的强度理论研究和预测的必要性
• 2 OSBVCCF的结构特点
• 2.1 木材的材料特性
• 2.2 生产OSBVCCF的木材资源及物理力学性能
• 2.2.1 生产OSB树种
• 2.2.2 贴面材料
• 2.3 OSB生产工艺及性能
• 2.3.1 影响定向刨花板的工艺因素
• 2.3.1.1 刨花形态
• 2.3.1.2 刨花干燥
• 2.3.1.3 刨花分选
• 2.3.1.4 施胶
• 2.3.1.5 热压工艺
• 2.3.2 密度对定向刨花板的性能影响
• 2.3.2.1 密度与静曲强度和弹性模量的关系
• 2.3.2.2 密度与横向静曲强度和弹性模量的关系
• 2.3.2.3 密度与抗剪强度和内结合强度的关系
• 2.3.2.4 密度与吸水率和厚度膨胀率的关系
• 2.4 OSBVCCF的工艺试验及性能
• 2.4.1 一次复合热压工艺
• 2.4.1.1 试验材料、设备及工艺
• 2.4.1.2 板材的力学性能
• 2.4.1.3 板的断面密度对强度性能的影响
• 2.4.2 二次热压复合工艺
• 2.4.2.1 原材料和热压工艺
• 2.4.2.2 复合集装箱底板芯层OSB的性能
• 2.4.2.3 芯层刨花板喷蒸预热工艺及板的性能
• 2.4.2.4 二次热压复合工艺
• 2.4.3 小结
• 2.5 小结
• 3 OSBVCCF的弹性模量的模型理论
• 3.1 绪论
• 3.2 经典的层合板刚度理论
• 3.2.1 几点假设
• 3.2.2 层合板变形分析
• 3.2.3 层合板的应力与应变关系
• 3.3 OSBVCCF的刚度特性
• 3.3.1 OSBVCCF的受力状况
• 3.3.2 OSBVCCF的刚度矩
• 3.3.3 OSBVCCF弹性模量的理论模型与预测
• 3.3.4 定向刨花板的弹性模量模型
• 3.3.5 集装箱底板用定向刨花板的弹性模量模型及预测
• 3.4 OSBVCCF的刚度特性
• 3.4.1 OSBVCCF的弹性模量模型
• 3.4.2 工艺因素对弹性模量的影响
• 3.4.2.1 压缩率对定向刨花板的弹性模量的影响
• 3.4.2.2 定向角度对芯层OSB弹性模量的影响
• 3.4.2.3 胶量对OSB弹性模量的影响
• 3.5 工艺因素对单板弹性模量及强度的影响
• 3.5.1 压缩率对单板纵向弹性模量及强度的影响
• 3.5.1.1 单板密度差异对力学性能的影响
• 3.5.1.2 单板热压后对力学性能的影响
• 3.5.1.3 涂胶单板压缩后对力学性能的影响
• 3.5.1.4 加压浸胶单板热压后对力学性能的影响
• 3.5.2 压缩率对单板横向弹性模量及强度的影响
• 3.5.2.1 涂胶单板热压后密度差异对横向力学性能的影响
• 3.5.2.2 加压浸胶单板热压后密度差异对横向力学性能的影响
• 3.5.2.3 加压浸胶单板及涂胶单板热压后密度差异对横向力学性能的影响
• 3.5.3 单板的弹性模量模型
• 3.5.3.1 单板涂胶的弹性模量模型
• 3.5.3.2 单板加压浸胶的弹性模量模型
• 3.6 OSBVCCF的弹性模量预测实例
• 3.6.1 刨花板-单板复合板的弹性模量模型计算
• 3.6.2 OSBV复合板的弹性模量模型计算
• 3.7 小结
• 4 OSBVCCF的静曲强度模型理论
• 4.1 前言
• 4.2 线弹性理论下复合集装箱底板的弯曲应力
• 4.2.1 线弹性理论下的复合板的弯曲应力
• 4.2.2 弹塑性理论下的木材的弯曲强度
• 4.2.3 弹塑性理论下的复合板的弯曲应力
• 4.2.4 复合板的静曲强度的计算
• 4.2.4.1 复合板的静曲强度的理论模型
• 4.3 OSBVCCF的静弯曲破坏形式及其强度特性
• 4.3.1 OSBVCCF的静弯曲破坏形式分析
• 4.3.2 OSBVCCF的静曲强度特性
• 4.4 试件跨距对静曲强度的效应
• 4.5 小结
• 5 结论
• 附表1
• 参考文献
• 详细摘要