湿状态下竹胶合板模板力学性能与数值模拟研究

论文摘要

竹胶合板模板是以毛竹为原料，将其加工成竹席和竹帘，并以竹席为面层材料，以纵横交错组坯的竹帘为芯层材料，经干燥、浸胶、组坯、热压胶合而成一种竹材人造板。竹胶合板模板因其强度高、幅面宽、表面光滑、容易脱模、耐水、耐热、耐磨和周转次数高等特点，已在建筑领域大量推广使用，替代木模板、钢模板作高层建筑、桥梁、大坝、隧道施工的建筑模板。竹胶合板模板生产厂按照竹胶合板模板JG／T156-2004标准，提供的竹胶合板模板性能参数大都是干状态下检测的，而建筑模板是在室外使用，且与碱性水泥砂浆直接接触，因此以干状态性能指标作为模板强度和刚度设计依据，势必会给建筑施工带来很大的不准确性，模板性能计算取值应考虑竹胶合板模板在吸水后的性能变化。因此，对湿状态下竹胶合板模板的力学性能研究具有十分重要的意义。 本文以竹胶合板模板工业化产品作为对象，研究了竹胶合板模板主要力学性能随含水率变化规律，研究结果表明：竹胶合板模板纵、横方向静曲强度和弹性模量均随着含水率的增加呈现下降趋势，在纤维饱和点以上时性能趋于稳定，下降幅度均达到40％以上；竹胶合板模板纵、横方向冲击强度均随着含水率的增加略呈上升趋势，含水率每增加1％，纵向冲击强度约增加0.20 kJ／m2，而横向冲击强度约增加0.12 kJ／m2。本文首次利用回归方程求解的方法，得出了竹胶合板模板纤维饱和点大致在19.21～23.27％范围内；研究了竹胶合板模板在干、湿两种状态下的纵横方向蠕变特性，研究结果表明：竹胶合板模板的横向蠕变量大于纵向蠕变量，湿状态下的蠕变量显著大于干状态。 利用正交实验方法研究了热压温度、热压时间、热压压力、施胶量和板坯含水率5个因素，在5个水平情况下的竹胶合板模板胶合性能以及干、湿两种状态下的纵横方向静曲强度、弹性模量和冲击强度，利用计算机模拟技术建立了二次多项式响应面数学模型，共13个。对13个响应面模型分别进行了方差分析与显著性检验，结果表明：13个响应面模型都是极显著的。实验验证结果表明：胶合性能响应面模型的预测精度略低于其它模型，但整个模型组，除少数实验点的预测值与实验值相对误差达到10～15％外，其它都在10％的相对误差范围内，且所有13个模型实验验证相对误差绝对值的平均值都在10％以下。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状及其进展
• 1.2.1 竹材性质研究现状及其进展
• 1.2.2 竹胶合板工艺与性能研究现状及其进展
• 1.2.3 竹胶合板模板应用特性研究现状及其进展
• 1.2.4 响应面技术研究现状及其进展
• 1.2.5 遗传算法研究现状及其进展
• 1.3 研究目的、研究内容和论文框架
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 论文框架
• 第2章 竹胶合板模板力学性能随含水率变化规律的数值拟合
• 2.1 水分对竹材力学性能的影响
• 2.2 竹材纤维饱和点
• 2.3 竹胶合板模板静曲强度和弹性模量性能实验与数值拟合
• 2.3.1 实验材料与方法
• 2.3.2 结果与分析
• 2.4 竹胶合板模板冲击强度性能实验与数值拟合
• 2.4.1 实验材料与方法
• 2.4.2 结果与分析
• 2.5 竹胶合板模板蠕变性能实验与数值拟合
• 2.5.1 木质材料蠕变机理
• 2.5.2 蠕变模型
• 2.5.3 实验材料与方法
• 2.5.4 结果与分析
• 2.6 小结
• 第3章 基于响应面的竹胶合板模板力学性能模型建立
• 3.1 响应面方法
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 响应面模型的实现过程
• 3.2 响应面模型设计
• 3.2.1 实验指标
• 3.2.2 因素及取值范围
• 3.2.3 实验设计
• 3.3 实验材料与方法
• 3.3.1 实验材料
• 3.3.2 实验设备
• 3.3.3 实验方法
• 3.3.4 物理力学性能检测
• 3.4 实验结果
• 3.5 建立响应面模型
• 3.6 模型计算值
• 3.7 模型方差分析与显著性检验
• 3.7.1 模型方差分析与显著性检验方法
• 3.7.2 模型方差分析与显著性检验结果
• 3.8 模型实验验证
• 3.9 小结
• 第4章 模型分析
• 4.1 湿状态下竹胶合板模板力学性能响应面分析
• 4.1.1 纵向静曲强度响应面分析
• 4.1.2 纵向弹性模量响应面分析
• 4.1.3 胶合性能响应面分析
• 4.1.4 纵向冲击强度响应面分析
• 4.2 主效应和交互效应分析
• 4.2.1 分析方法
• 4.2.2 主效应分析
• 4.2.3 交互效应分析
• 4.3 小结
• 第5章 基于多目标遗传算法的竹胶合板模板力学性能优化策略
• 5.1 优化设计概述及基本概念
• 5.1.1 概述
• 5.1.2 基本概念
• 5.2 竹胶合板模板力学性能模型的特点和求解方法
• 5.2.1 模型的特点
• 5.2.2 求解模型的传统方法
• 5.3 遗传算法
• 5.3.1 标准遗传算法
• 5.3.2 改进的Pareto遗传算法
• 5.4 小结
• 第6章 数值模拟结果与分析
• 6.1 湿状态下竹胶合板模板力学性能优化
• 6.1.1 约束条件
• 6.1.2 初始点及算法控制参数
• 6.1.3 多目标优化过程
• 6.1.4 pareto解
• 6.1.5 结果分析
• 6.2 控制成本条件下竹胶合板模板力学性能的优化
• 6.2.1 约束条件
• 6.2.2 初始点及算法控制参数
• 6.2.3 控制成本条件下的优化过程
• 6.2.4 pareto解
• 6.3 模型外延探索
• 6.3.1 模型外延时设计变量取值
• 6.3.2 模型外延时设计目标计算值
• 6.4 数值模拟结果与实验结果比较
• 6.5 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 7.3 论文主要创新点
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间取得的研究成果