錢呈 平海陽 程俊博 齊長嘯 孫美岐 者彩蘭 蔡英春 趙景堯

摘 要：為探究榆木方材干燥過程中橫紋形變規(guī)律，以50 mm厚榆木方材為對象，采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital Image Correlation，DIC）實(shí)時(shí)在線監(jiān)測不同溫度下其橫截面橫紋全場應(yīng)變分布；分析不同溫度下其弦徑向應(yīng)變規(guī)律及差異，并探究含水率分布、應(yīng)變規(guī)律以及開裂間聯(lián)系。結(jié)果表明，3種溫度下，榆木方材橫截面橫紋應(yīng)變分布呈中間小邊緣大的趨勢；40 ℃下弦、徑向最大應(yīng)變?yōu)?.036 6、0.033 6，60 ℃為0.045 2、0.042 3，80 ℃為0.059 8、0.051 1；隨含水率下降，弦、徑向應(yīng)變逐漸增大，分別在含水率約30%（60 ℃）、40%（80 ℃）時(shí)出現(xiàn)交叉，應(yīng)變方向出現(xiàn)轉(zhuǎn)變；含水率分布不均導(dǎo)致應(yīng)變分布差異，開裂出現(xiàn)在應(yīng)變差異最大時(shí)刻后，分別在含水率約15%、30%時(shí)出現(xiàn)開裂，溫度對榆木方材水分及應(yīng)變分布影響顯著（P＜0.05）。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)；應(yīng)變；溫度；方材；木材干燥

中圖分類號：S781.71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）03-0116-09

Abstract：In order to investigate the transverse grain deformation of elm square timber during drying， Digital Image Correlation technology（DIC） was used to monitor the full-field strain distribution of the transverse grain at different temperatures in real time and with 50 mm thick elm square timer as the object. The law and difference of radial strain at different temperatures were analyzed， and the relationship between water content distribution， strain law and cracking was explored. The results showed that the transverse strain distribution of elm square timber was small in the middle and large in the edge at three different temperatures. The maximum chord and radial strains at 40 ℃ were 0.036 6 and 0.033 6. At 60 ℃， 0.045 2 and 0.042 3; at 80 ℃，those were 0.059 8 and 0.051 1. With the decrease of water content， the chord strain and radial strain gradually increased， and crossover occured when the water content was about 30% （60 ℃） and 40% （80 ℃）， respectively， and the strain direction changed. The uneven distribution of water content led to the difference of strain distribution. The cracking occurred after the moment of maximum strain difference， and the cracking occurred when the water content was about 15% and 30%， respectively. Temperature had significant effects on moisture and strain distribution of elm square timber （P<0.05）.

Keywords：Digital image related technologies; strain; temperature; square timber; wood drying

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32271786）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（202210225147）

第一作者簡介：錢呈，碩士研究生。研究方向?yàn)槟静母稍?。E-mail： 870723458@qq.com

*通信作者：趙景堯，博士，副教授。研究方向?yàn)槟静奈锢砑案稍?。E-mail： zjy_20180328@nefu.edu.cn

0 引言

隨著木材行業(yè)發(fā)展，方材的應(yīng)用越來越廣，廣泛應(yīng)用于家具制造、土建工程等方面。榆木方材更在建筑物橫梁、家具主干支撐等方面應(yīng)用前景廣闊[1-5]，其具備材性堅(jiān)韌、強(qiáng)度硬度適中和抗彎性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但因其構(gòu)造不均、干縮系數(shù)大，干燥中易產(chǎn)生較大應(yīng)力，出現(xiàn)變形開裂等缺陷，嚴(yán)重影響木材的利用[6-8]。因此，掌握其干燥過程中應(yīng)變分布及其變化規(guī)律，對干燥工藝的優(yōu)化與提高干燥質(zhì)量具有重要意義。

目前，對榆木方材弦徑向應(yīng)變分布及規(guī)律研究較少，且切片法、叉齒法等傳統(tǒng)干燥應(yīng)變檢測手段會損壞木材結(jié)構(gòu)與完整性，無法檢測未切試片干燥階段應(yīng)變情況，數(shù)據(jù)獲取存在局限性。數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)（Digital image correlation，DIC）是一種無損非接觸的高精度光學(xué)檢測，這一新型全場應(yīng)變檢測技術(shù)可用于應(yīng)變規(guī)律的研究，通過獲取并分析變形過程中的圖像差異獲得準(zhǔn)確全場應(yīng)變信息[9-15]。關(guān)于DIC技術(shù)探究木材干燥形變，目前主要研究報(bào)道：李全騰[16]研究發(fā)現(xiàn)榆木單板正負(fù)應(yīng)變速率與吸濕解吸速率呈正相關(guān)；Kang等[17]發(fā)現(xiàn)窯干下西部鐵杉和白橡小試塊弦徑向應(yīng)變隨平均含水率降低而增大；Han等[18]發(fā)現(xiàn)窯干下小紅松試塊收縮形變與含水率呈函數(shù)關(guān)系；Kang等[19]研究紅橡不同含水率下應(yīng)變速率制定出窯干時(shí)間表。上述研究多集中在板材和小試塊，對方材的應(yīng)變規(guī)律的研究則未見報(bào)道。方材尺寸有別于板材，其干縮異向性差異更大、更易發(fā)生開裂變形，故精確監(jiān)測干燥過程中含水率分布與應(yīng)力應(yīng)變信息，解析應(yīng)變規(guī)律及預(yù)測開裂出現(xiàn)的時(shí)機(jī)，可為干燥過程精準(zhǔn)實(shí)施濕熱處理提供參考。

本研究以橫截面50 mm×80 mm榆木方材為對象，通過DIC技術(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測不同溫度（40、60、80 °C）下榆木方材端面橫紋全場應(yīng)變分布，利用切片法測量方材含水率分布，分析不同溫度下弦徑向應(yīng)變規(guī)律及其差異，研究含水率分布、應(yīng)變規(guī)律及開裂間聯(lián)系，為榆木干燥應(yīng)變機(jī)理及干燥工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

大興安嶺70年生榆木（Ulmus pumila），氣干密度0.70 g/cm3，原木加工成規(guī)格2 000 mm（長度方向）×80 mm（弦向）×50 mm（徑向）方材。按圖1鋸切成300 mm（長度方向）×80 mm（弦向）×50 mm（徑向）的方材30塊，選取24塊無節(jié)子、蟲蛀等缺陷的方材用于本次試驗(yàn)，圖1中所有方材尺寸單位均為mm，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，方材1用于DIC全程拍攝，方材2用于全程含水率檢測，方材3—方材8用于含水率約為100%、40%、30%、20%、15%、10%時(shí)含水率分布檢測，圖1中未標(biāo)號方材作為試驗(yàn)備用材。

試驗(yàn)儀器有DHS-225型恒溫恒濕干燥箱、VID-3D非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)、101-2AB型電熱鼓風(fēng)箱和電子天平等。

采用表1的干燥條件對試材進(jìn)行干燥，用圖2中的 DIC全場應(yīng)變測量系統(tǒng)對方材1進(jìn)行干燥過程中實(shí)時(shí)拍照。

1.2 方法

1.2.1 形變檢測

DIC應(yīng)變測量系統(tǒng)通過高速攝像機(jī)對試件表面散斑圖像進(jìn)行跟蹤，試驗(yàn)中所用DIC應(yīng)變測量系統(tǒng)已自動計(jì)算玻璃、空氣介質(zhì)等其他因素對成像過程的影響，所以試驗(yàn)過程中可忽略偏差，并由圖像上散斑點(diǎn)位置變化計(jì)算試材的位移和應(yīng)變，圖3為弦（R）、徑向（T）應(yīng)變測量位置。試驗(yàn)前，榆木方材橫截面應(yīng)經(jīng)細(xì)砂紙打磨光滑，在試材橫截面上均勻涂布白色底漆，隨后涂布大小一致的黑色散斑點(diǎn)，通過產(chǎn)生的黑色散斑與白色對比色來提高光學(xué)測量的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)研究已驗(yàn)證，漆膜厚度1 mm內(nèi)情況下，板材干燥速率、含水率分布與未噴漆對照材相比，未出現(xiàn)差異。試材散斑制備后，在DIC拍攝系統(tǒng)Snap 9軟件中調(diào)節(jié)照片拍攝質(zhì)量。適當(dāng)調(diào)整相機(jī)位置、拍攝角度以及焦距，保證試材拍攝完整性和清晰度；調(diào)節(jié)適當(dāng)亮度的燈光保障拍攝圖像質(zhì)量；之后，采用合適校準(zhǔn)板拍攝25張校準(zhǔn)圖片，進(jìn)行圖像校準(zhǔn)處理，建立圖像分析坐標(biāo)系；校正圖片完成后，采用表2中設(shè)置拍攝總時(shí)間、時(shí)間間隔等參數(shù)進(jìn)行拍攝。

1.2.2 含水率檢測

DIC技術(shù)要求測量對象在建立圖像三維分析坐標(biāo)系后不能移動，以免影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確可靠性。故試驗(yàn)選用一批紋理結(jié)構(gòu)相同、初含水率接近的方材在同樣溫濕度下分別進(jìn)行DIC檢測與含水率測定。方材2，由其初重及其兩端截取的初含水率試片的初重和絕干重，計(jì)算推定出絕干重（干燥結(jié)束后用更接近實(shí)際的絕干重置換），干燥過程定期取出稱重，由式（1）計(jì)算其平均含水率，繪出干燥曲線；干燥過程不同階段（方材2平均含水率約為100%、40%、30%、20%、15%、10%時(shí)）依次取出含水率分布檢驗(yàn)材（每一階段取出一塊）。圖4為去10 mm端頭后（試驗(yàn)已證明10 mm厚度內(nèi)應(yīng)變大小無明顯差異）在同側(cè)切下20 mm厚度含水率分布試片，將其平均分成25塊，測量當(dāng)時(shí)重量和絕干重量，由式（1）計(jì)算各試塊含水率，分析含水率分布。含水率分布檢驗(yàn)材余下部分補(bǔ)足長度后放回原位，以保證各試材表面干燥介質(zhì)流速不受影響。

MCi=Gi-GdGd×100%。（1）

式中：MCi表示i時(shí)刻方材或試塊含水率；Gi為方材或試塊干燥至i時(shí)刻重量;Gd為方材或試塊絕干重。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同溫度下方材含水率變化規(guī)律

圖5為干燥過程中榆木方材干燥曲線及其擬合曲線。3組溫度下相同含水率變化范圍內(nèi)（含水率由100%降至8%）的平均干燥速率為0.71%、1.02%、1.27%，表明干燥速率隨溫度升高而明顯加快。

原因分析：3種干燥條件，干濕球溫差很小，而溫度升高的干燥條件，干燥介質(zhì)相對濕度大、水蒸氣分壓高，因而試材水分蒸發(fā)強(qiáng)度略降。然而，制約試材干燥速率的不是表面或移動蒸發(fā)界面水分蒸發(fā)的快慢，而是內(nèi)部水分向移動蒸發(fā)界面的遷移速率。溫度升高，木材內(nèi)部水蒸氣壓力升高、自由水黏度降低、結(jié)合水?dāng)U散系數(shù)增大，促進(jìn)水分向蒸發(fā)界面滲流及擴(kuò)散，故高溫下干燥速率更快。圖6為試材干燥過程6個(gè)時(shí)段與應(yīng)變檢測等同橫截面的含水率分布。由圖6可知，干燥過程中含水率分布呈中間大邊緣小的趨勢。40 ℃下方材含水率分布較均勻，未出現(xiàn)較大含水率梯度；60 ℃下逐漸出現(xiàn)梯度（含水率至約10%時(shí)，內(nèi)部含水率超過18%，外部在8%左右）；80 ℃下出現(xiàn)較大梯度（含水率至約15%時(shí)，內(nèi)部含水率超過25%，外部在7%左右）。擬合曲線得出3組溫度下榆木方材含水率與干燥時(shí)間的函數(shù)關(guān)系如式（2）—式（4）所示。

MCt=119.65-2.97t+0.026t2-0.000 08t3。（2）

MCt=114.46-4.41t+0.083t2-0.000 69t3。（3）

MCt=109.26-5.84t+0.14t2-0.001 30t3。（4）

式中：MCt表示在t時(shí)刻的含水率；t為干燥時(shí)間。

擬合函數(shù)方程決定系數(shù)在0.99以上，相關(guān)性高，表明用其描述對應(yīng)溫度下含水率與干燥時(shí)間的關(guān)系是精準(zhǔn)可靠的。

2.2 不同溫度下榆木方材橫截面全場應(yīng)變分布規(guī)律

圖7—圖9為3組溫度下榆木方材橫截面上全場應(yīng)變。干燥初期，方材弦徑向應(yīng)變均較小，隨干燥進(jìn)行全場應(yīng)變分布弦向呈左右高中間低的分布趨勢，徑向呈上下高中間低的分布趨勢。方材在40 ℃下未出現(xiàn)開裂，方材處于高含水率狀態(tài)時(shí)尺寸幾乎不變，接近纖維飽和點(diǎn)時(shí)，弦徑向應(yīng)變分別為0.004 1、0.002 5，至含水率約15%時(shí)弦徑向應(yīng)變增至0.031 5、0.028 3，干燥終了時(shí)方材弦徑向應(yīng)變最大分別為0.036 6、0.033 6；60 ℃下含水率約80%時(shí)弦徑向應(yīng)變分別為0.010 9、0.009 6，至20%左右時(shí)，增至0.041 2、0.031 9，含水率至15%時(shí)出現(xiàn)開裂，至10%時(shí)開裂加劇并向內(nèi)延伸，干燥終了時(shí)方材弦徑向應(yīng)變最大分別為0.045 2、0.042 3；80 ℃下方材弦向應(yīng)變快速提升，含水率約30%時(shí)為0.044 1，超過徑向應(yīng)變0.037 6，出現(xiàn)開裂，至約15%時(shí)開裂加劇并向內(nèi)延伸，干燥終了時(shí)方材弦徑向應(yīng)變最大為0.059 8、0.051 1。由圖8可知，開裂處位于顏色映射差別較大處，此時(shí)裂紋左端靠內(nèi)側(cè)應(yīng)變在0.020 0左右，而右端靠外側(cè)應(yīng)變則在0.040 0左右；由圖9可知，裂紋左端靠內(nèi)側(cè)應(yīng)變在0.020 0左右，而右端靠外側(cè)應(yīng)變則在0.055 0左右；由此可知方材內(nèi)部存在內(nèi)外應(yīng)變差異，且內(nèi)外應(yīng)變差異較大的位置易產(chǎn)生開裂。此現(xiàn)象表明高溫下榆木方材內(nèi)外層收縮差異性大，方材外層溫度高內(nèi)層溫度低，外層含水率低于內(nèi)層，外層收縮大內(nèi)層收縮小故產(chǎn)生熱應(yīng)力，干燥初期方材外部含水率先低于纖維飽和點(diǎn)先開裂；隨干燥進(jìn)行方材外部含水率低，外層應(yīng)變大，向內(nèi)部收縮，而方材內(nèi)部含水率高，抑制方材的收縮，故產(chǎn)生應(yīng)變差，隨即導(dǎo)致方材出現(xiàn)開裂。

2.3 不同溫度下弦徑向應(yīng)變及差異分析

應(yīng)變分布雖可直觀顯示榆木方材干燥不同時(shí)刻應(yīng)變情況，但難以有效揭示干燥全過程方材應(yīng)變規(guī)律，圖10給出不同溫度下整體干燥過程的弦徑向應(yīng)變變化及差異曲線：40 ℃下方材弦向應(yīng)變一直大于徑向應(yīng)變，應(yīng)變幅度小；60 ℃下方材弦向應(yīng)變先小后大于徑向應(yīng)變，含水率約30%時(shí)應(yīng)變發(fā)生轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)交叉點(diǎn)，隨后含水率約15%時(shí)開裂；80 ℃下方材弦向應(yīng)變也先小后大于徑向應(yīng)變，應(yīng)變變向，交叉點(diǎn)出現(xiàn)在含水率約40%時(shí)，隨后含水率約30%時(shí)開裂。

低溫下應(yīng)變規(guī)律簡單、不變向且方材未開裂；隨溫度升高應(yīng)變規(guī)律復(fù)雜、交叉點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)機(jī)提前。此現(xiàn)象表明，由于方材厚度小于寬度且水分徑向移動速率大于弦向，因此干燥前期徑向應(yīng)變大于弦向；隨著干燥進(jìn)行，含水率繼續(xù)下降，厚度方向水分移動開始緩慢而寬度上水分繼續(xù)移動且弦向干縮應(yīng)變大于徑向應(yīng)變，因此干燥后期弦向應(yīng)變大于徑向應(yīng)變；故高溫下，弦徑向應(yīng)變出現(xiàn)交叉點(diǎn)且不同干燥溫度下，交叉點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)機(jī)不同：溫度越高，出現(xiàn)交叉點(diǎn)的時(shí)機(jī)越提前。

結(jié)合圖6—圖9可知，60 ℃與80 ℃下出現(xiàn)交叉點(diǎn)后含水率再分別下降15%與10%時(shí)，會產(chǎn)生開裂。且通過Logistic擬合得出60、80 ℃溫度下榆木方材弦、徑向應(yīng)變與含水率的對應(yīng)關(guān)系式（5）—式（8），據(jù)此擬合曲線方程可以獲得對應(yīng)含水率下弦徑向應(yīng)變交叉點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)機(jī)，進(jìn)而為后續(xù)濕熱處理時(shí)機(jī)提供參考。

60 ℃下弦向應(yīng)變與含水率關(guān)系

Y=0.019 2-0.027/（1+x/9.0011.021）。（5）

60 ℃下徑向應(yīng)變與含水率關(guān)系

Y=0.052 1-0.089/（1+x/1.9820.592）。（6）

80 ℃下弦向應(yīng)變與含水率關(guān)系

Y=0.029 5-0.042/（1+x/10.2540.095）。（7）

80 ℃下徑向應(yīng)變與含水率關(guān)系

Y=0.061 2-0.062 8/（1+x/3.1541.002）。（8）

式中：Y表示在x含水率時(shí)的應(yīng)變；x為含水率。

圖11給出不同溫度下不同含水率時(shí)弦徑向應(yīng)變一階導(dǎo)數(shù)值，含水率30%以上時(shí)弦徑向應(yīng)變一階導(dǎo)數(shù)值均不超過0.003 0；60 ℃下弦徑向一階導(dǎo)數(shù)最大值分別為0.007 5、0.007 7；80 ℃下弦徑向一階導(dǎo)數(shù)最大值分別為0.008 1、0.008 8。3組溫度下，一階導(dǎo)數(shù)值隨溫度升高、含水率降低而變大。一階導(dǎo)數(shù)值大小代表同一含水率變化量區(qū)間內(nèi)應(yīng)變變化速率，上述應(yīng)變變化規(guī)律與開裂間關(guān)系，可以證明導(dǎo)數(shù)值越大說明應(yīng)變變化速率越快；溫度越高，弦徑向應(yīng)變變化速率越快：溫度升高引起方材內(nèi)部含水率梯度的增大導(dǎo)致干燥應(yīng)力增速加快，高溫度下方材干縮應(yīng)變變化速率大，故方材快速收縮易產(chǎn)生開裂等缺陷。

3 結(jié)論

利用DIC在線、實(shí)時(shí)檢測干燥過程中榆木方材橫截面上位移與應(yīng)變變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：40 ℃時(shí)方材未開裂，弦徑向應(yīng)變未出現(xiàn)交叉點(diǎn)，弦徑向最大應(yīng)變值分別為0.036 6、0.033 6；60 ℃時(shí)含水率約30%時(shí)出現(xiàn)交叉點(diǎn)，含水率約15%時(shí)開裂，弦徑向應(yīng)變值分別約為0.040 5、0.035 7，裂紋產(chǎn)生于含水率梯度差異較大區(qū)域（內(nèi)部含水率超過18%，外部在9%左右），開裂由外向內(nèi)延伸，干燥終了弦徑向應(yīng)變分別為0.042 3、0.045 2；80 ℃時(shí)含水率約40%時(shí)出現(xiàn)交叉點(diǎn)，含水率約30%時(shí)開裂，弦徑向應(yīng)變值分別約為0.044 1、0.037 6，裂紋產(chǎn)生于含水率梯度差異較大區(qū)域（內(nèi)部含水率超過25%，外部在7%左右），干燥終了弦徑向應(yīng)變分別為0.059 8、0.051 1。由此可知，溫度對榆木方材的應(yīng)變及其分布影響顯著（P＜0.05）；方材干燥過程中開裂時(shí)機(jī)與弦徑向應(yīng)變變向交叉點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)機(jī)存在對應(yīng)關(guān)系，所以可以通過觀察干燥過程中應(yīng)變變化推測開裂時(shí)機(jī)，并在產(chǎn)生開裂前，對木材進(jìn)行相應(yīng)處理，達(dá)到完善干燥工藝、提高干燥質(zhì)量的目的。

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