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        沙柳材物理力學特性測定與分析*

        2020-08-17 09:05:02張少勇劉志剛裴承慧段明澤劉鵬飛
        林產(chǎn)工業(yè) 2020年7期
        關鍵詞:壓縮力順紋沙柳

        張少勇 劉志剛 裴承慧 段明澤 劉鵬飛

        (內(nèi)蒙古工業(yè)大學機械工程學院,呼和浩特 010051)

        沙柳是沙生灌木植被的典型代表,是我國西北地區(qū)防風固沙的主要植被[1-3]。沙柳有平茬復壯的生物習性,否則不到7 年就會變成枯枝[4-6]。但是如果平茬出現(xiàn)茬口灼傷和死皮撕裂現(xiàn)象,就會影響來年沙柳的發(fā)芽率,導致這種現(xiàn)象的主要原因是鋸切參數(shù)不合理[7-9]。國內(nèi)外通過有限元仿真模擬的方法對圓鋸片結構參數(shù)和工作參數(shù)進行優(yōu)化[10-14],而鋸切材料的物理力學特性是有限元仿真的基礎。國內(nèi)外專家學者測定了各類木材的物理力學特性[15-19]。本文通過試驗研究沙柳材物理力學特性,為有限元鋸切仿真提供數(shù)據(jù)支持。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        沙柳(Salix mongolica)。為使試驗數(shù)據(jù)符合大部分沙漠的情況,使試驗更具可靠性,在庫布齊沙漠進行試材的采集。按照相關標準,采集了生長年限為5年的沙柳;選擇膝徑(距地面0.5 m處灌木材的直徑)大于12 mm,枝條通直,無傷疤,無側條的沙柳作為試驗用材。

        1.2 設備

        試驗主要設備與儀器:DYSY-8000W微機水分測定儀(鶴壁電子研究所),WDW-200 微機控制電子萬能力學試驗機(山東萬辰試驗機有限公司)。

        1.3 試驗方法

        1.3.1 含水率檢測

        含水率是沙柳材的一個重要物理力學特性指標,不同含水率下有不同的力學性能[20-22],因此在進行拉伸、壓縮等各種力學性能測試之前,先測定沙柳材的含水率。含水率測定參照LY/T2369—2014《沙生灌木物理力學性能測試方法》和GB/T1931—2009《木材含水率測定方法》進行。

        1.3.2 拉伸強度檢測參照GB/T1938—2009《木材順紋抗拉強度試驗方法》和LY/T2369—2014 進行拉伸強度測定。

        1.3.3 壓縮強度檢測

        參照LY/T2369—2014 和GB/T1935—2009 《木材順紋抗壓強度試驗方法》以及GB/T1939—2009 《木材橫紋抗壓試驗方法》進行壓縮強度測定。

        1.3.4 抗彎強度檢測

        參照GB/T1936.1—2009《木材抗彎強度試驗方法》和LY/T2369—2014 進行抗彎強度測定。

        2 結果與分析

        2.1 含水率

        測得沙柳氣干材的含水率為10.41%,檢測數(shù)據(jù)詳見表1。

        表1 沙柳氣干材含水率Tab.1 Moisture content of air-dried salix

        2.2 拉伸強度

        沙柳氣干材順紋抗拉試驗結果如表2 所示。

        表2 沙柳氣干材順紋抗拉強度試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Tensile strength test data of air-dried salix

        圖1 軸向拉伸力-位移曲線Fig.1 Axial tensile force-displacement curve

        從圖1 可知,在沙柳氣干材軸向拉伸試驗最初加載過程中,隨著軸向拉伸力的逐漸增加,位移逐漸增加,軸向拉力-位移曲線具有一定的線性關系,體現(xiàn)出彈性性質(zhì);當軸向拉力達到沙柳最大抗拉強度時沙柳試件斷裂,此時軸向拉力為4 303 N,得出抗拉強度為133.28 MPa。試驗過程中,隨著軸向拉力的逐漸加載,曲線無明顯的屈服和強化階段,沙柳試件被拉斷時位移僅為6 mm,延伸率很小,因此沙柳材拉伸物理力學特性表現(xiàn)出一定的脆性。

        2.3 壓縮強度

        2.3.1 軸向壓縮

        沙柳氣干材的軸向壓縮數(shù)據(jù)如表3 所示。

        表3 沙柳氣干材軸向壓縮試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Axial compression test data of air-dried salix

        圖2 軸向壓縮力-位移曲線Fig.2 Axial compression force-displacement curve

        由圖2 可見,在沙柳材軸向壓縮試驗中,開始加載時,沙柳氣干材處于彈性階段,軸向壓縮力-位移曲線具有一定的線性關系;隨著載荷的增加,因細胞壁厚度及細胞直徑不等,細胞壁逐漸皺折或向腔內(nèi)塌陷,導致沙柳氣干材在較小范圍內(nèi)被迅速壓實,軸向壓縮力陡然上升,此時處于致密階段,軸向壓縮力-位移曲線為非線性;當達到沙柳材最大抗壓強度時,纖維管內(nèi)細胞失去平衡能力,此時最大壓縮力16.404 kN,得出軸向抗壓強度為73.00 MPa,沙柳材纖維發(fā)生屈曲、褶皺,并逐漸過渡至壓潰階段,最終沙柳破裂。

        2.3.2 弦向壓縮

        沙柳氣干材弦向壓縮試驗結果如表4 所示。

        表4 沙柳氣干材弦向壓縮試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data of chordwise compression of airdried salix

        弦向壓縮試驗中,加載方向垂直于沙柳材的纖維方向,從圖3中可以看出,加載前期弦向壓縮力-位移呈線性關系,此時處于彈性階段,細胞發(fā)生微小變形;隨著載荷的繼續(xù)增加,在越過屈服點(此時最大弦向壓縮力2 520 N,弦向抗壓強度為11.20 MPa)之后,細胞逐漸被壓潰,細胞壁發(fā)生向腔內(nèi)坍塌變形,位移迅速增大而弦向壓縮力略有增大,此時進入屈服后弱線性強化階段;隨著載荷的增加細胞壁會相互接觸,細胞腔被完全填充,細胞被壓密,此時進入冪強化階段[23-25],弦向壓縮力會隨位移的增加而急劇增大。最后沙柳材被壓潰。

        2.3.3 徑向壓縮

        沙柳氣干材徑向壓縮試驗結果如表5 所示。

        表5 沙柳氣干材徑向壓縮試驗數(shù)據(jù)Tab.5 Radial compression test data of air-dried salix

        圖4 徑向壓縮力-位移曲線Fig.4 Radial compression force-displacement curve

        弦向、徑向壓縮試驗中得到兩條相似的力-位移曲線,這是因為徑向壓縮和弦向壓縮都是屬于橫紋壓縮,從兩條曲線中可以看出,二者在壓縮試驗中表現(xiàn)出相似的特性,徑向壓縮也經(jīng)歷了彈性階段、屈服后弱線性強化階段和冪強化階段。得到徑向抗壓強度為12.84 MPa。

        2.4 抗彎強度

        沙柳氣干材三點彎曲試驗結果如表6 所示。

        表6 沙柳氣干材三點彎曲試驗數(shù)據(jù)Tab.6 Experimental data of three point bending of air-dried salix

        圖5 三點彎曲試驗壓力-位移曲線Fig.5 Three point bending test pressuredisplacement curve

        從圖5可看出,在加載的初始階段,壓力與位移呈現(xiàn)線性關系,此時沙柳氣干材處于彈性階段。隨著載荷的增大,壓力-位移曲線斜率在降低,這是因為有少數(shù)木材纖維開始斷裂。當載荷達到302.4 N時,沙柳氣干材斷裂。得到沙柳氣干材的抗彎強度為106.31 MPa。

        3 結論

        通過含水率試驗得到沙柳氣干材的含水率為10.41%,最大抗拉強度為133.28 MPa,軸向、弦向和徑向的最大抗壓強度分別為73.00、11.20 MPa和12.84 MPa,抗彎強度為106.31 MPa。軸向抗壓強度約為弦向抗壓強度的6.5 倍,徑向抗壓強度與弦向抗壓強度之比約為1.1,表明沙柳氣干材橫紋抗壓強度遠小于順紋抗壓強度,橫紋抗壓強度相近。順紋抗拉強度與順紋抗壓強度之比約為1.8,表明沙柳屬于軸向拉壓強度不等的正交各向異性材料。此次試驗所得數(shù)據(jù)為鋸切仿真提供了材料的失效參數(shù)。

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