针叶材构造数字模拟系统的建立及其在热传导研究中的应用

论文摘要

木材的物理、力学性质等均与自身结构及化学组分密切相关。要深入了解木材特性,探索木材各种性质的本质规律,须以木材的构造和组成物质为出发点进行研究。然而,由于缺乏快速准确获得木材构造参数的测量手段和系统性的木材宏微观构造描述方法,目前对于木材性质的研究大多局限于宏观层次。本研究提出了一种可以快速获取木材构造参数的方法,利用计算机数字图像处理技术实现了对木材显微结构自动识别与测量;构建了描述木材构造特征的虚拟木材构造模型,将实体木材进行抽象化处理,实现了木材构造特征的归一化表述,为后续建模步骤提供了基础平台;改良了传统木材热质传递模型的建模思想,提出将木材热质传递模型的建模过程划分为两个阶段:虚拟木材构造建模与热质传递模型建模,分步骤进行建模。本论文的主要研究成果及创新点如下:(1)自行开发了基于轮廓跟踪算法的木材显微图像分析软件,构建了木材显微图像数字处理系统,实现了木材构造参数快速提取功能。(2)提出了采用人眼识别目标边缘的逻辑提取木材细胞轮廓的跟踪算法,实现了无需去噪处理的复杂轮廓识别功能。(3)提出了基于细胞中心位置关系的细胞壁厚测量算法,有效的避免了拉线法测量时测量线位置变化以及测量线倾斜所导致的误差。(4)借鉴软件工程中面向对象编程的思想,提出了管胞对象的定义并建立了虚拟木材构造模型。(5)基于虚拟木材构造模型探讨了木材弦径向热阻、密度的理论计算公式。(6)通过对单个管胞对象的能量守恒分析,建立了木材横切面二维导热模型,此模型基本上反映了绝干木材加热时内部温度场的变化规律。(7)构建了多通道温度采集系统,实现了对板材内部温度场变化的自动测量。今后可对本系统进一步拓展,对阔叶材结构模型、木材实质物质基本性质等进行分析和探讨,使其适用范围进一步扩大,为木材显微构造参数的自动测量、树种自动识别、基于木材构造的热质传递模型、木材力学模型等的建立提供一种有力的技术手段。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 木材显微数字图像分析技术国内外研究状况
• 1.2 木材热物性参数国内外研究状况
• 1.3 木材干燥热质传递模型国内外研究状况
• 1.4 研究的目的和意义
• 1.5 研究内容
• 2 木材构造参数数字图像分析
• 2.1 概述
• 2.1.1 数字图像处理概述
• 2.1.2 木材构造数字图像处理概述
• 2.2 图像采集
• 2.2.1 图像采集系统硬件及树种选择
• 2.2.2 针叶材横切面数字图像采集
• 2.3 图像预处理
• 2.3.1 灰度化
• 2.3.2 阈值选择与二值化处理
• 2.3.3 滤波
• 2.4 基于细胞单元的图像识别与特征提取
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 边缘检测
• 2.4.3 中心坐标分析
• 2.4.4 非木材细胞轮廓的剔除
• 2.4.5 形状分析
• 2.4.6 尺寸及倾角分析
• 2.5 木材特征参数的测量
• 2.5.1 像素距离与实际距离的转化
• 2.5.2 特征参数测量
• 2.6 本章小节
• 3 针叶材构造数字模拟
• 3.1 概述
• 3.2 管胞对象模型
• 3.3 针叶材构造模型
• 3.4 本章小节
• 4 木材物性参数理论计算
• 4.1 概述
• 4.2 导热系数
• 4.2.1 径向热阻模型及理论计算
• 4.2.2 弦向热阻模型及理论计算
• 4.3 比热容的计算
• 4.4 密度理论计算公式
• 4.5 本章小结
• 5 木材二维导热模型
• 5.1 概述
• 5.2 木材二维导热模型
• 5.2.1 模型假设条件
• 5.2.2 数学模型的建立
• 5.2.3 热力学边界条件及初始条件
• 5.2.4 模型求解
• 5.3 木材二维导热模型验证
• 5.3.1 测试设备及试样
• 5.3.2 模型验证
• 5.4 本章小节
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 个人简介
• 导师简介
• 发表论文目录清单
• 致谢