论文题目: 马尾松板材干燥应力模型及应变连续测量的研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 木材科学与技术
作者: 涂登云
导师: 顾炼百
关键词: 马尾松,干燥应力模型,木材干缩传感器,木材粘弹胜,木材机械吸附,干燥应力控制
文献来源: 南京林业大学
发表年度: 2005
论文摘要: 木材干燥应力应变是制定最佳木材干燥工艺的理论依据,干燥应力模型可以用数学的方法来描述木材干燥应力的产生原因和发展规律,是实现干燥应力控制技术的理论基础;因此,木材干燥应力模型的研究具有重要理论意义和实际生产指导意义。 本文以30mm厚马尾松板材为研究对象,把干燥过程中板材实际干缩分为自由干缩应变、瞬时弹性应变、粘弹性应变、机械吸附应变四部分,根据差分原理,对板材干燥时间进行离散,建立马尾松板材干燥应力数学模型,用模型解释了板材内部某层的自由干缩与板材实际干缩之差是该层产生干燥应力的原因;还用模型解释板材干燥过程中的应力变化规律、残余应力产生的原因及粘弹性应变和机械吸附应变对干燥应力的消除作用。模型验证实验表明,本文提出的干燥应力模型可以准确描述木材干燥应力应变变化规律;但此干燥应力模型不能计算和解释调湿处理过程中的干燥应力。 本文突破传统干燥应力定性分析方法,用数学方法对马尾松板材干燥应力应变规律进行深入研究,研究表明:粘弹性应变和机械吸附应变很大程度上释放了干燥应力。由于内部各层含水率依次低于FSP开始产生自由干缩应变,而受到其它层的制约,板材将由表层到芯层依次产生拉应力。在干燥过程中瞬时弹性应变最小,粘弹性应变与机械吸附应变较大。各层粘弹性应变与瞬时弹性应变比值近似为常数2.49;而机械吸附应变与瞬时弹性应变的比值波动较大,最大机械吸附应变与对应时刻的瞬时弹性应变比值为8.73～45.34;由于机械吸附应变的叠加,在应力转向前机械吸附应变比粘弹性应变大,应力转向后由于机械吸附应变正负叠加,可能使机械吸附应变小于粘弹性应变。 本文设计制作了一种电阻应变计式木材干缩的传感器,此传感器实现了木材干缩和粘弹性应变的连续测量,从而为木材力学性能和木材干燥应力应变研究提供一种新测量方法。本文还提出一种新的干燥应力连续测量方法,用此法测量马尾松板材表层临界干燥应力,并用表层临界干燥应力作为控制参数对30mm厚马尾松板材进行干燥,结果表明:此法比常规干燥快7.5h,干燥效率提高13.89%,干燥过程中未发现板材表裂,干燥质量达国家二级质量标准。 本文还得到了马尾松木材物理力学性能,为马尾松木材的深入研究奠定了理论基础。研究表明:温度对马尾松木材全干缩率和自由干缩系数无影响,在FSP以下自由干缩系数与含水率无关。马尾松木材弦向粘弹性系数不受载荷变化的影响,但随含水率和温度的变化而变化;马尾松木材弦向机械吸附系数不受载荷和含水率变化的影响,但随温度的升高而增大。
论文目录:
1 绪论
1.1 前言
1.2 文献综述
1.2.1 干燥应力应变测试方法方面
1.2.2 干燥应力应变理论
1.2.3 干燥应变成分
1.2.3.1 自由干缩应变
1.2.3.2 弹性应变
1.2.3.3 粘弹性应变
1.2.3.4 机械吸附应变
1.2.3.5 各应变成分的相对关系
1.2.4 干燥应力应变数值计算及数学模型
1.2.5 干燥控制技术方面
1.2.6 前人研究小结
1.3 问题的提出
1.4 研究内容
1.5 技术路线
1.6 研究手段及方法
1.7 本文创新点
2 干燥应力模型
2.1 引言
2.2 木材干燥应变成分
2.2.1 自由干缩应变
2.2.2 瞬时弹性应变
2.2.3 粘弹性应变
2.2.4 机械吸附应变
2.2.5 木材受应力作用下的干缩
2.3 模型建立
2.3.1 基本条件
2.3.2 模型建立
2.4 用模型解释板材干燥过程中的应力
2.4.1 用模型叙述板材干燥过程的应力变化
2.4.1.1 干燥初期
2.4.1.2 干燥前期
2.4.1.3 干燥中期
2.4.1.4 干燥后期
2.4.2 粘弹性应变和机械吸附应变对干燥应力的释放作用
2.4.3 干燥残余应力的产生
2.5 本章小结
3 电阻应变计式木材干缩传感器
3.1 引言
3.2 木材干缩传感器的设计
3.2.1 悬臂梁式应变计传感器原理
3.2.2 传感器设计
3.3 传感器制作
3.3.1 应变计粘贴位置的选择
3.3.2 电阻应变计的粘贴方法
3.3.3 传感器防潮处理
3.3.4 桥路选择
3.4 传感器工作原理与使用方法
3.4.1 传感器工作原理
3.4.2 传感器使用方法
3.5 传感器标定
3.5.1 零漂检测
3.5.2 湿度对传感器影响
3.5.3 位移标定
3.5.4 温度修正
3.6 用传感器在线测量马尾松木材干燥过程中的干缩率
3.6.1 用传感器测量5mm厚马尾松木材干燥过程中的径向干缩率
3.6.1.1 实验材料及试件规格
3.6.1.2 试件锯取及编号
3.6.1.3 实验器材
3.6.1.4 实验方法
3.6.1.5 结果与分析
3.6.2 用传感器测量20mm厚马尾松木材干燥过程中的径向干缩率
3.6.2.1 试件规格
3.6.2.2 试件锯取及编号
3.6.2.3 实验方法
3.6.2.4 结果与分析
3.7 本章小结及下步工作建议
3.7.1 本章小结
3.7.2 下步工作建议
4 模型参数
4.1 引言
4.2 实验材料
4.3 自由干缩系数
4.3.1 试材准备
4.3.2 实验仪器
4.3.3 实验方法
4.3.3.1 20℃自由干缩实验方法
4.3.3.2 温度对自由干缩影响实验方法
4.3.4 结果与分析
4.3.4.1 20℃马尾松木材自由干缩应变及自由干缩系数
4.3.4.2 温度对马尾松木材自由干缩应变及自由干缩系数的影响
4.4 弹性模量
4.4.1 试材准备
4.4.2 实验仪器
4.4.3 实验方法
4.4.4 结果与分析
4.4.4.1 马尾松木材弦切板径向抗弯弹性模量
4.4.4.2 含水率对弹性模量的影响
4.5 马尾松木材粘弹性应变
4.5.1 试材准备
4.5.2 实验仪器
4.5.3 马尾松木材弦向抗拉强度及应力水平的确定
4.5.4 实验方法
4.5.5 结果与分析
4.5.5.1 粘弹性应变
4.5.5.2 用Bailey-Norton等式拟合恒定载荷下马尾松木材弦向粘弹性应变
4.5.5.3 用Bailey-Norton等式表示不同温度时马尾松木材粘弹性应变
4.6 机械吸附应变
4.6.1 试材准备
4.6.2 实验仪器
4.6.3 试验方法
4.6.4 结果与分析
4.6.4.1 马尾松木材弦向机械吸附应变
4.6.4.2 马尾松木材弦向拉伸机械吸附系数
4.6.4.3 马尾松木材弦向拉伸机械吸附应变的数学表示
4.7 本章小结
5 模型验证
5.1 引言
5.2 马尾松弦切板干燥应力模型的确定
5.2.1 马尾松木材FSP的确定
5.2.2 自由干缩系数的确定
5.2.3 弹性模量的确定
5.2.4 粘弹性系数的确定
5.2.5 机械吸附系数的确定
5.2.6 马尾松弦切板干燥应力模型的确定
5.3 30mm厚马尾松弦切板干燥应力模型验证实验
5.3.1 实验材料及试件尺寸
5.3.2 实验仪器
5.3.3 实验用干燥基准
5.3.4 实验方法
5.4 几点假设
5.5 结果与分析
5.5.1 干燥过程中的含水率变化
5.5.1.1 干燥曲线
5.5.1.2 分层含水率
5.5.2 干燥过程中的实际干缩
5.5.3 干燥过程中的自由干缩应变
5.5.4 调湿处理过程中的含水率分布、实际干缩
5.5.4.1 调湿处理过程中的含水率分布
5.5.4.2 调湿处理过程中的实际干缩
5.6 干燥应力模型验证
5.6.1 用干燥应力模型计算干燥应力
5.6.2 用实际干缩验证干燥应力模型
5.6.2.1 干燥过程中的瞬时弹性应变
5.6.2.2 干燥过程中的粘弹性应变
5.6.2.3 干燥过程中的机械吸附应变
5.6.2.4 干燥过程中的净应变
5.6.2.5 用模型计算干燥过程中的实际干缩
5.6.2.6 用计算实际干缩与实测实际干缩比较验证干燥应力模型
5.7 各应变成分之间的相对关系
5.8 粘弹性应变和机械吸附应变对干燥应力的释放作用
5.9 讨论
5.10 本章小结与下步工作建议
5.10.1 本章小结
5.10.2 不足及下步工作建议
6 30mm厚马尾松板材临界干燥应力控制初探
6.1 引言
6.2 马尾松板材干燥应力在线测量
6.2.1 含水率测量仪的标定
6.2.2 干燥应力在线测量
6.2.2.1 试材准备
6.2.2.2 实验仪器
6.2.2.3 实验方法
6.2.3 结果与讨论
6.2.3.1 干燥过程中的含水率变化
6.2.3.2 干燥过程中的干缩应变变化
6.2.3.3 干燥过程中的干燥应力变化
6.3 30mm厚马尾松板材临界干燥应力实验
6.3.1 试材准备
6.3.2 实验设备
6.3.3 实验方法
6.3.4 结果与分析
6.3.4.1 30mm厚马尾松板材表裂前的含水率、表层差异干缩和干燥应力
6.3.4.2 30mm厚马尾松板材表裂时的含水率、表层差异干缩和干燥应力
6.3.5 30mm厚马尾松板材设定临界干燥应力的确定
6.4 用设定表层临界干燥应力控制30mm厚马尾松板材干燥实验
6.4.1 试材准备
6.4.2 实验仪器
6.4.3 实验方法
6.4.4 结果与分析
6.4.4.1 干燥速度及干燥质量
6.4.4.2 干燥过程中的含水率变化
6.4.4.3 干燥过程中的实际干缩
6.4.4.4 干燥过程中的干燥应力
6.5 本章小结及下步工作建议
6.5.1 本章小结
6.5.2 不足及下步工作建议
7 总结论
7.1 结论
7.1.1 干燥应力模型
7.1.2 用数学模型研究30mm厚马尾松板材干燥过程中的应力应变变化规律
7.1.3 干缩传感器
7.1.4 马尾松木材物性参数
7.1.5 30mm厚马尾松板材临界干燥应力及临界应力控制
7.2 本研究的特色
7.3 不足之处及下步工作
参考文献
附表
发布时间: 2005-12-30
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