干燥3D弹性应力试验

文摘

本研究的目的是开发一个精确的和简单的方法测量工程系数3 d弹性张量的木头。方法使用semi-ring伸长计(行为)和压缩试样(6-specimen技术)。semi-ring的行为是由不锈钢叶片铰接两个固定板、铝和两个电阻应变仪保税顶部和底部的面孔中跨叶片的位置。五组匹配压缩标本(20毫米x 20毫米x 60毫米)从黑云杉木材(云杉马里亚纳(机)。B.S.P.),在六个不同的方向对负载轴(三个正交的方向和三对角方向的45度角加载轴)是用于校准的行为。电阻应变计保税直接作为参考使用的木材表面轴向和横向测量。验证技术是由另一个系列的标本在同样的六个方向。轴向应变数据的行为然后相比获得的线性位移传感器(LVDT)。横向方向,行为结果的泊松’年代比率和剪切模与相应的数据从文献中获得。结果表明,R2值之间关系的年轻人’年代模确定行为和LVDT变化从0.88到0.97。行为技术出现也可靠评价泊松’���代比率和剪切模作为获得的值与文献数据符合良好。保税应变仪相比,行为技术是可重用的,简单和便宜的使用及其温度敏感性几乎是独立的。

关键词:三维弹性张量的木头,semi-ring伸长计,6-specimen技术,轴向和横向应变测量,木材干燥。

介绍

本研究项目的一部分在建模过程中木材的力学行为的窑干(Moutee et al . 2005年,Moutee et al . 2007年)。任何的发展数学模型预测木材干燥应力的要求,其他力学性能,木材的弹性张量的评估在湿热条件下有关工业窑干。所有组件的弹性张量必须准确地量化评估的实际三维应力应变状态的过程中干燥。然而,弹性张量的实验测定系数不是一项容易的任务由于自然变化,非均质性和各向异性的木头。时更具挑战性的任务必须在恶劣的条件下进行普遍发生在木材干燥。

木材是一种正交各向异性材料的特点是三个互相垂直的平面的对称(Kollmann和象牙海岸1968)。因此,它的弹性行为可以定义为9个独立的弹性柔度系数(S11系列、S22 S33,S12,向、S23,S44,S55 S66;下标1、2和3显示径向(R)、切线(T)和纵向(L)的方向,分别;下标44,55和66,表明LR,LT和RT剪切面,分别)。弹性行为也可以由12个工程弹性参数(三个年轻的模:呃,ET,EL,六个泊松比:νLR,νLT,νRL,νRT,νTL,νTR;三个剪切模:GLR GRT GLT,)。胡克的矩阵形式’年代法律合规系数表达的工程参数的形式(Bodig和杰恩1982):

 

(1)

地点:
ε,σ:正应变和压力
γ,τ:剪切应变和压力。

从合规矩阵的对称性的考虑,我们得到:

 

(2)

杨氏模量的纵向方向(EL)对于大多数商业物种是有据可查。然而,很少有数据可用于其他弹性参数,因为困难的测量应变得当,特别是在方向垂直于外加负载(横向应变)。保税电阻应变仪被广泛用于测量各种材料包括木头的表面应变(1991年斯,斯里克et al . 1994年)。然而,这些指标是昂贵的,只能使用一次。

最详细的弹性参数的研究集中在寻找工程弹性参数之间的关系,使用纵向年轻’年代模量和木材密度作为独立变量预测其他弹性参数(Bodig Hearmon 1948年和1973年古德曼,1987年Guitard Guitard和El阿姆里1987年斯里克et al . 1994年,Laghdir 2000)。然而,这种方法需要大范围的木材密度值和预测仍然经常近似。无损测量技术也被用于测定木材的弹性特性。其中,超声波技术似乎是最可靠的。从超声波技术获得明显的模大于静态模,虽然动态和静态模通常强烈相关(Bucur 1995、2001杨和Fortin Dieter et al . 2007年)。

本研究的目的是开发一个精确的和简单的方法测量木材使用的3 d弹性张量semi-ring伸长计(行为)和所谓的6-specimen技术(1987年Guitard Laghdir 1987)。本文主要关注行为的校准和验证传感器为这个应用程序开发。

材料和方法

伸长计建设

semi-ring伸缩仪的原理图如图1所示。这是一个改进版本的行为由Fortin et al。(1994)在干燥表面应变的测量。的行为是由0.45毫米厚,6.35毫米宽不锈钢叶片弯曲与16.4毫米的半径和两个电应变仪(cea - 06 - 125型ac - 350)保税顶部和底部half-positions semi-ring。这两个应变仪连接,实现最大产出和温度补偿(Fortin et al . 1994年)。叶片是铰接两个铝固定板连接在木材表面用木螺丝。两个洞的直径2毫米,6毫米深,10毫米除了无聊的木材标本解决传感器(图1 b)。一个小铝盘放置在固定板和标本表面板位移摩擦减少到最低水平。

 

图1:(一)原理图的行为;(b)的轴向和横向位置孔是固定的木材表面(距离在毫米)。

试样

根据6-specimen测试材料制备技术,包括使用六个试样取向:三个正交的方向和三个对角线方向的45度角加载轴。样品尺寸是20毫米x 20毫米截面沿着加载方向和60毫米。所有给定组织标本来自外木区,相同的树和相同的螺栓。获得标本从董事会的25 75毫米截面削减从绿色2.44 - m长螺栓的黑云杉(云杉马里亚纳(机)。B.S.P.)来自四个树。董事会第一次慢慢干14%含水率(MC),然后条件在上几个星期21°C和60%相对湿度(RH)为了获得最后的平衡含水率(EMC)的约12%。护理被送往得到董事会的正确方向和标本的正交的方向。最多3粒偏离是允许纵向的标本。关于环切向方向的曲率,最小化通过削减了树皮样品尽可能接近。

基于6-specimen技术的工作原理,测量轴向和横向压力在标本的正交的方向应该是同时进行的。然而,由于行为限制的附件系统测试样品,其他三个面向标本的L,L和T方向被添加到每个组的横向应变测量R,R T和方向,分别。这导致了九个标本每组:面向三个正交的方向,R,T和L(图2),和三个面向的对角线方向,LR,LT和TR(图2 b)的轴向应变测量,以及面向三个标本在L,L和T方向的横向应变测量(图2)。

 

图2:群九匹配样本。(一)正交的方向;(b)对角线方向;(c)标本的L,L、T方向。(a)和(b)的轴向应变测量和(c)的横向应变测量。

年轻’年代模呃,ET和EL得到R,直接从样本T和L(图2)。这些模相结合的横向应变测量样本L,L和T(图2),获得泊松比νRL,νTL,ν然而,沿νLR的值,νLT和νTR推导出二维弹性张量对称的使用(2)式。剪切模GLR,GRT GLT和从off-axes获得标本RL,TL和RT(图2 b),���别使用以下方程:

 

(3)

ELR,英语教学和导视模从off-axes获得标本。

五组(5复制)九匹配标本每个行为被用于校准。十其他团体被用于验证的技术。平均标本的基本密度表示为烘干的质量绿色体积的比率为390 kg / m3。变异系数(CV)匹配样本组在0.74%到5.0%之间。简历群体间平均约为9.5%。切向标本了密度变化的一个重要组成部分。
6-specimen技术允许所有工程弹性系数的测量只使用一个轴向加载测试压缩或紧张。选择压缩试样主要是因为其相对较小的尺寸适合抽样三个结构方向的树。然而,它需要一个细致的样品制备和适当的样本匹配技术。样本集同质性是很重要的,最小化within-tree可变性的弹性性质的影响,特别是对纵向和径向变化。这是通过适当的样品制备过程。6-specimen技术可能不是最合适的,如果它被用来确定hygro-elastic属性之间的差异的核心和小直径外木树。不过据我们所知,没有太多的替代技术使这种类型的研究,除了对超声波技术(Bucur 1995,然后很难适用于严酷的hygrothermic木材干燥条件。此外,即使含水率和温度的影响,在3 d弹性张量分量值测定木材外,这本身将是一个伟大的资产以来干燥应力的模拟这些数据几乎缺席木材科学文献。

伸长计校准

两个老(SRE-1和SRE-2)被用于这项研究。Sangamo DG 1.0线性传感器(LVDT)也作为参考最新测量仪器。双面夹指标提供了LVDT传感器允许40毫米的应变测量对中央部分的标本。LVDT是校准使用Boeckler伸长计(Boeckler仪器)在±0.0025毫米的精度。

是校准是使用电阻应变计作为参考轴向和横向应变测量。在后来的情况下,这种校准技术被发现比直驱技术更可靠使用Boeckler伸长计。根据应变测量的类型,都是固定在一个面临标本的轴向或横向和应变计(cea - 06 - 125型ac - 350)相反的脸上是保税在同一中心位置(图1 b)。压缩测试与项目部进行测试机配备了一个适当的负载细胞和一个内置的环境室包围维持在21摄氏度,60% RH。称重传感器的读数和两个压力传感器记录下来Sciemetrics仪器系列7000数据采集系统允许实时测量数据的可视化和计算机存储为一秒的间隔。

都是测量技术的验证
为了验证行为测量确定工程技术系数的3 d弹性张量、轴向应变测量是同时使用LVDT和两个老(图3)。只有老用于横向应变测量(图3 b)。

 

图3:(一)LVDT和行为设置轴向应变测量;(b)是位置的横向应变测量在验证测试。

结果与讨论

校准

两老校准单独确定的表面应变之间的线性关系获得样品表面的电阻应变计保税的输出电压。每个标本的校准系数然后确定方向。如表1所示,校准系数的值是相当类似的两个老虽然SRE-1往往给更高的轴向压力的值。此外,轴校准系数的平均值与试样取向变化小,除了R的方向。然而,横向标定系数显示三个标本取向之间的大的变化,尤��是在横向平面(表1中最后一行),标准误差值校正系数表1中显示的往往是更大的轴向应变测量比横向应变测量,最大值为2.59 mstrain / mV无关地面向标本。

 

表1:为每个个体取向行为校正系数(标准误差值在括号中)。

标本取向	应变测量方向	校准系数
		SRE-1	SRE-2	SRE-mean
轴向应变(mstrain / mV)
R	R	53.0 (2.37)	49.7 (1.46)	51.4
T	T	48.1 (2.24)	46.2 (2.59)	47.1
l	l	46.4 (1.02)	46.3 (0.93)	46.3
RL	RL	49.9 (2.50)	47.7 (1.62)	48.8
TL	TL	45.5 (1.02)	45.2 (0.53)	45.4
TR	TR	48.9 (1.61)	48.6 (1.29)	48.8
横向应变(mstrain / mV)
l	R	38.1 (0.67)	41.0 (1.31)	39.6
l	T	35.3 (1.11)	38.4 (2.27)	36.8
T	R	55.1 (0.55)	51.8 (0.07)	53.4

校正系数的变化可以解释为每个行为的具体特征和木材的可变性。也可以与保留木螺丝的位置在年度增长区域。的影响尤为重要,当固定螺丝固定在纵向方向(第一个和最后一个行表1)。因此,只有平均校准系数被认为是测定所有弹性参数的验证测试。因此重要的是要使用尽可能多的样本组来确定一组特定的弹性系数。十个复制在这方面可以视为最低。

都是测量技术的验证

年轻’年代模

年轻人的价值观’年代模得到的验证行为测量技术提出了如图4所示。R2值之间关系的年轻人’年代模确定行为和LVDT变化从0.88到0.97。如果LVDT结果值作为参考,没有显著区别是指出之间的行为和R和L LVDT杨氏模方向。乍一看,这种行为似乎低估了年轻’s T方向的弹性模量。这种明显的差异可能与有效应变的每个所使用的一种技术,这是10毫米LVDT的行为和40毫米。RT脸上自压力测量,有效的行为有更多的机会与年轮的LVDT的比。因此,校正应该被应用到LVDT值获得T的方向,尤其是在小直径的标本来自日志。

 

(一)		(b)
(c)
图4:年轻’年代模获得之间的关系与行为的三个正交的方向和LVDT传感器:(一)R-direction;(b)T-direction;(c)L-direction。

泊松’年代比率

泊松比获得的值如表2所示。注意,只有νRL,νTL和νRT测量。如前所述,νLR的值,νLT和νTR推导出3 d弹性张量对称的使用(2)式。

的泊松比νij被横向应变之比定义为“我”的方向产生的轴向应变加载“j”的方向。各向异性材料,如木材,这之间的各向异性系数也是一个指标两个互相垂直的方向。如表2所示,νRLνTL系数远高于νLRνLT系数。这很容易解释的低刚度R和T方向相比,在纵向方向。的非常低的值νLR和νLT系数实验测定非常困难,横向应变非常小(小于10µstrains本研究)。这就是为什么变得更方便演绎那些泊松’年代比率计算。

考虑标准偏差值,泊松’年代比率的结果似乎是在良好的协议与文献数据(表2)。这表明实验技术用于测量三维弹性张量的木材是可靠的。

 

表2:泊松’比率从验证测试获得12% EMC在括号中)(标准偏差值,从文献和数据

	基本密度(公斤/立方米)	νRL	νTL	νRT	νLR	νLT	νTR
本研究	390年	0.33(1)	0.42(1)	0.32(1)	0.029(2)	0.025(2)	0.51(2)
		(0.06)	(0.07)	(0.05)	(0.008)	(0.015)	(0.11)
Bodig和古德曼(1973) 软木	- - - - -	0.37	0.42	0.35	0.041	0.033	0.42

(1):测量值;(2):推断值。

 

剪切模

剪切模的结果如表3所示。考虑不同的密度和实验数据的标准偏差值,测量剪切模也在良好的协议与文献数据。也指出,获得的值剪切模遵循众所周知的顺序关系,GRT < < GLT < GLR。LR平面相似强化了它包含纵向横向光线是最严格的,而RT飞机仅包含射线细胞作为强化的元素,是最不耐剪切。

 

表3:剪切模获得验证测试(标准偏差值在括号内),数据相比,文学EMC(12%)。

	基本密度	GLR	GLT	通
	(公斤/立方米)	(MPa)	(MPa)	(MPa)
本研究	390年	841年	798年	55
		(223)	(146)	(7)
Bodig和古德曼(1973) 黑云杉	380年	699年	663年	66年

结论

的使用行为结合6-specimen技术(压缩试样)测量轴向和横向压力似乎是一个可靠的方法来确定木材的3 d弹性张量。行为尤其适用于横向应变测量。不同的校准系数必须适用于每个标本的行为测量取向。大量的样本集的使用建议(至少10个样本集)为了弥补校准系数值的不确定性和within-tree可变性的木属性。within-sample集可变性也需要控制通过使用一个适当的样本匹配过程。还需要更多的研究,以模拟螺丝孔效应的影响而在轴向和横向应变同时测量在同一标本。温度的影响也被研究虽然在理论上应该是非常小的。