動載條件下水曲柳解離特征及應力-應變特性研究

1、動載條件下水曲柳解離特征及應力一應變特性研究花軍，陳光偉，張紹群，許威5(東北林業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱150040)摘要：以水曲柳為研究對象，利用shpb試驗裝置對含水率為12.53%,密度為().93g/cn? 水曲柳試件進行了應變率為400s"、7(x)s_ 1000s",加載方向為徑向、弦向和軸向的動態(tài)加 載試驗，獲得了水曲柳在不同應變率及方向上動態(tài)加載的解離特征及應力一應變特性。結10 果表明：隨著應變率的增加，水曲柳的解離程度也隨之加大，沿弦向加載時最易解離，沿軸向 加載時最難解離；動載條件下水曲柳的應力一應變曲線可以由屈服點應變分為彈性階段和 屈服后弱線性強

2、化階段兩部分；水曲柳的動態(tài)屈服強度具有很強的應變率敏感性，當應變率從 400s-1增加到1000s-1時，水曲柳沿徑向、弦向和軸向加載時的動態(tài)屈服強度分別增加了 0.45 倍、1.34 倍和 0.71 倍。15 關鍵詞：動載條件；水曲柳；解離特征；應力一應變特性；應變率中圖分類號：s781.2dissociative characteristic and stress-strain propertiesof fraxinus mandshurica under dynamic loading20hua jun, chen guangwei, zhang shaoqun, xu wei(mech

3、anical and electrical engineering college, northeast forestry university, harbin 150040) abstract: dynamic compression experiments of fraxinus mandshurica wood along radial, tangential and axial loading directions were implemented by shpb experimental device, and the 1 strain rates were approximatel

4、y 400s ,700s and 1000s average moisture content and density325 of the birch specimens are 12.53% and 0.93 g/cm . the solutions from dynamic compression loading feature and the dynamic stress-strain properties are obtained at different strain rates and the direction of the dynamic compression loading

5、. the results show that with increasing strain rate, the degree of dissociation of fraxinus mandshurica increases. at the view of the dissociation degree that the tangential loading was the most easily to dissociate, and axial loading was the most30 difficult to dissociate. the stress-strain curve o

6、f the birch wood under the dynamic compression loading conditions the strain can be divided into elastic stage and weak linear strengthening phase by the yield point. dynamic compression yield strength of fraxinus mandshurica has a strong strain rate sensitivity. when the strain rate increased from

7、400s at 1000s , the dynamic yield strength of the fraxinus mandshurica which loaded along radial, tangential and axial were35 increased by 0.45 times, 1.34 times and 0.71 timeskey words: dynamic loading; fraxinus mandshurica; dissociative characteristic; stress-strain properties; strain rate0引言40在纖維

8、研磨過程中,磨片的基本齒形結構對木材原料的動載作用發(fā)牛復雜的結聯(lián)，磨片的齒形結構參數(shù) 必須結合木材原料的研磨解離機制才能夠進行優(yōu)化，_31o由于纖維分離設備的封閉式結構與其惡劣 的工作環(huán)境，使得現(xiàn)有的技術難于對纖維研磨解離的全過程以及其中蘊含的動力學現(xiàn)象進行監(jiān)測。 針對這一難題，許多國外學者將木材原料的研磨解離機制問題轉化為研磨條件下木基金項目：教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20130062110005)作者簡介：花軍(1959)，男，教授，主要研究方向：木材科學與技術/機械設計及理論.e-mail:材原料動態(tài)力學特性的研究。atack等研究了帶有預制裂紋木材的力學性能；eskelin

9、en等使用擺錘力學試驗機，測試了 8個不同沖擊方向對沖擊能量吸收的影響習；uhmcicr等利用伺服 液壓力學試驗機研究了 25s_ 98°c條件下云杉的力學性能；widehammar利用伺服液壓萬 能力學試驗機和截面為矩形的分離式hopkinson桿(shpb)試驗裝置研究了云杉的力學 性能，發(fā)現(xiàn)應變率對云杉的力學性能有很大影響。雖然國內(nèi)學者對靜態(tài)及準靜態(tài)加載條件下 木材的斷裂力學己開展了大量的研究l8_9j,但對研磨條件下木材的動力學特性的研究尚未 見報到。雖然國外學者對熱磨機研磨條件下木材原料力學性能的研究開展較早，但是絕大部分的研 究都是在準靜態(tài)或應變率較低的環(huán)境下進行的無法達

10、到熱磨機研磨條件下的應變率，這導致研 究得到的結果嚴重的脫離了牛產(chǎn)的實際情況。分離式hopkinson桿(shpb)技術是獲得材料 在102訂_10營1應變率范圍內(nèi)動力學特性的主要實驗手段，完全可以滿足熱磨機 研磨條件下木材原料1000s-1的應變率。本文以纖維板生產(chǎn)中常用的水曲柳為試驗材料， 利用shpb試驗裝置研究熱磨機研磨動載條件下水曲柳材的解離特征及應力一應變特性， 旨在為木材原料研磨解離機理的研究及熱磨機纖維分離設備或研磨磨具的結構優(yōu)化設計提 供理論指導。1試驗材料與方法試驗選取纖維板生產(chǎn)中常用的水曲柳作為試驗材料，測m 400s_1 > 700s_ 1000s-1三個應變 率

11、，徑向、弦向、軸向三個加載方向上的解離特征及應力一應變特性。試驗所用水曲柳產(chǎn) 自黑龍江省，試件在同根試材的邊材處截取，試件尺寸為25x25x20mm3, 20mm方向為 加載方向，試件含水率約為12.53%,氣干密度約為0.93g/cn?°試驗在shpb試驗裝置上完成，shpb試驗裝置原理如圖1所示。試件夾在入射桿與透 射桿之間，試驗中子彈以一定的速度撞擊入射桿，在入射桿內(nèi)產(chǎn)生一個入射波，當入射波 傳至入射桿與試件接觸面時，一部分入射波被反射回入射桿中形成反射波，另一部分入射 波傳入試件內(nèi)部，該部分波在試件與透射桿接觸面處部分被反射，另一部分進入透射桿形 成透射波，入射波、反射波由入

12、射桿上的應變片測得，透射波由透射桿上的應變片測得。就28 計iwi圖1 shpb試驗裝置fig.l shpb experimental device試件在應力波作用下發(fā)生變形，通過入射桿和透射桿上釆集得到的應力波信號，結合 一維應力波假定和均勻性假定，則可確定試件在應力波作用下的應變率& (0、應變& (/)、應力(7 s，計算公式如下：(1)f £ (t)dtjo »力06()二eoc(/)式屮，co為桿屮的彈性波速；eo為桿的彈性模量；5為加載方向上試件的有效長度；as 為試件的橫截面積；力0為桿的橫截面積。80試驗時反射波與透射波的強度是由桿與試件材料

13、之間的波阻抗匹配程度決定的，材料的波阻抗計算公式如下uu：z = a 厲(4)式中，a為材料的橫截而積，m2； e為材料的彈性模量，pa； p為材料的密度，kg/cn?。 當試件材料的波阻抗遠小于桿材料的波阻抗時，入射波將會被大量的反射冋入射桿中;85當試件材料與桿材料的波阻抗相差很小或相等時，入射波將會大量的透射到試件中。以上兩種情況使透射波或反射波非常的弱，這會導致試驗結果的精度很差。為了解決波阻抗的匹配問 題，試驗選用密度和彈性模量相對較低的鋁桿。同時考慮到木材波阻抗較低造成透射波較弱， 應用普通應變片進行測試獲得的信號信噪比較低，試驗中透射桿上采用半導體應變片測 試透射波，對于波強度較

14、高的入射桿仍用普通應變片進行測試。90木試驗所用shpb桿試驗裝置：入射桿、反射桿、子彈長度分別為1800mm、1800mm> 300mm,均 為40mm鋁桿，其彈性模量為71gpa,密度為2700kg/m3o在入射桿、透射桿距離試件 1000mm處分別粘貼普通應變片和半導體應變片用于測定應力波。2試驗材料與方法shpb試驗過程中測得的入射波、反射波和透射波的典型應力波圖形如圖2所示?？梢?5 看出入射波、反射波和透射波的幅值很大并且波形清晰，可見使用阻抗較低的鋁桿和在透射桿上使用半導體應變片較好的解決了水曲柳試件與shpb桿之間波阻抗不匹配的問題，1.5 通道2shpb試驗獲得了較好的

15、試驗結果。反射波入朋皮透射波1.c/0.5= 7'0.().20.0-0.2-0.4d0-o.se e-0.6-0.8-i 斗，1 -1.00200400600800時間(us)圖2軸向加載400s'1的應力波形圖100fig.2 the axial loading 400s 1 of stress wave2.1動載條件下水曲柳的解離特征圖3為應變率為400s_ 1時水曲柳試件的解離圖像。當應變率為400s_1時，水曲柳沿徑向、弦向和軸向加載的試件均沒有宏觀裂紋產(chǎn)生，只是沿加載方向產(chǎn)生塑性變形被圧的更加密實。(3)軸向圖3應變率為4()()s"時水曲柳試件的解離圖像

16、fig.3 the strain rate 400s 1 dissociative image of fraxinus mandshurica specimens圖4為應變率為700s_1時水曲柳試件的解離圖像。當應變率為700s'1時，沿徑向加載試 件在加載面上產(chǎn)生宏觀裂紋，裂紋沿著早、晚材進行擴展將試件解離成幾大塊；沿弦向加 載試件沿加載方向產(chǎn)生了數(shù)條宏觀裂紋，裂紋沿著早、晚材的分界處進行擴展將試件分解 成兒大塊試件；沿軸向加載試件在加載面上沿加載方向產(chǎn)生劈裂，但是沒有沿加載方向產(chǎn) 生褶皺現(xiàn)象。圖4(2)弦向應變率為700s'1時水曲柳試件的解離圖像-1fig.4 the

17、strain rate 700s dissociative image of fraxinus mandshurica specimens圖5為應變率為l()()()s"時水曲柳試件的解離圖像，應變率為1000s'1時，沿徑向加載 試件在早、晚材分界處產(chǎn)生了更多的宏觀裂紋，將試件解離成更多的大塊試件；沿弦向加載試 件被解離成更多的大塊試件，有“火柴棍狀”的小試件從大試件上剝離；沿軸向加載試件在 加載而上產(chǎn)生了更多的劈裂裂紋將試件解離成兒人塊，并且在加載而上產(chǎn)生了褶皺現(xiàn)彖。(3)軸向(2)弦向圖5應變率為1000s'時水曲柳試件的解離圖像-1fig.5 the stra

18、in rate 1000s dissociative image of fraxinus mandshurica specimens根據(jù)圖3、圖4、圖5水曲柳試件的解離圖像，對比分析各組試齡水曲柳試件發(fā)現(xiàn)：隨著應變率的增加，水曲柳試件的解離程度也隨著加大，水曲柳試件沿弦向加載時最易解離，沿軸向加載時最難解離。水曲柳試件不同方向上解離難易程度的差異主要是由木材高度各向異性的結構導致不同方向上能量耗散機制的不同導致。水曲柳試件沿徑向、弦向加載時，水曲柳試件主要通過細胞壁的彈性、竣性變形來耗散能量；而沿軸向加載時，水曲柳試件主要是 通過細胞中微纖絲的滑移來耗散能量。雖然水曲柳試件沿徑向、弦向加載時均

19、是通過細胞壁的變形來耗散能量，但是在加載方向上早、晚材的分布形式是不同的，這導致沿徑、弦向加 載時解離的難易程度的不同。沿徑向加載時在加載方向上早、晚材是交替分布的，沿弦向加載 時加載方向上早、晚材是與加載方向平行呈交錯分布。沿徑向和弦向加載吋，試件內(nèi)部產(chǎn)生的初始裂紋均是從早材處開始，沿著早、晚材的分界處擴展。但是，沿徑向加載時， 加載力的方向與早、晚材的分界血垂直，而沿弦向加載吋，加載力的方向與早、晚材的分 界面平行，所以沿眩向受載時的解離程度大于徑向。2.2動載條件下水曲柳的應力一應變特性木材是多孔性材料，山許多含有空腔的細胞組成。在準靜態(tài)壓縮加載條件下木材表現(xiàn)出 與多孔材料相同的力學特性

20、，其應力一應變曲線可由屈服點應變和細胞壁壓密化臨界應變分 為三個階段：彈性階段、屈服后若線性強化階段和幕強化階段i"】。但是，在動態(tài)加載條件 下木材的應力一應變曲線與準靜態(tài)有較大差異。圖6為水曲柳試件應力一應變曲線，對比 分析各組試驗試件的應力一應變曲線發(fā)現(xiàn)：1) 動載條件下水曲柳的應力一應變曲線可以由屈服點應變分為彈性階段和屈服后弱線 性強化階段兩部分。與準靜態(tài)的應力一應變曲線相比，動態(tài)加載時水曲柳試件的應力一應變曲線沒有幕強化階 段，這主要是由較高的應變率引起c由于加載速度較快使得載荷對水曲柳試件所做的功無法均 勻的傳遞到試件內(nèi)部，這就導致整個試件受載嚴重不均勻，“前半部分”試件

21、被過度的加載。當 “后半部分”試件進入塑性屈服階段時，“前半部分''試件可能已經(jīng)部分被壓實了，而“后 半部分"試件還沒有被壓實的時候，“前半部分式件就由于局部的應力集中而導致試件產(chǎn)生 破壞，從而使得試件還沒有進入幕強化階段的時候就已經(jīng)被破壞了，圖5 (3)中試件加載 面纖維的壓潰現(xiàn)象可部分的說明試件受載的不均勻性，受載過程中試件應力一應變曲線在 弱線性強化階段的震蕩也是由丁 試件受載不均勻引起的。應變/%徑向加載°03691215應變/%弦向加載(3)軸向加載圖6水川1柳試件應力-應變曲線圖fig.6 the stress-strain curve of f

22、raxinus mandshurica specimens2) 水曲柳的動態(tài)屈服強度隨應變率的增大而增大，具有很強的應變率敏感性，它是一種應變率敏感材料。水曲柳試件沿徑向加載應變率約為400s_1. 700s' 1000s-1時，其屈服強度分別約為 10.89mpa、13.39mpa、15.81mpa,應變率從400s'1增加到1000s'1時屈服強度增加了 0.45倍；沿弦 向加載應變率約為400s' 700s-1 > 1000s'1時，其屈服強度分別約為11.91mpa、20.94mpa、 27.83mpa,應變率從400s'1增加到1

23、000s_1時屈服強度增加了 1.34倍；沿軸向加載應變率約 為 400s' 700s'1 > 1000s-1 時，其屈服強度分別約為 74.54mpa> 106.99mpa、128.18mpa,應 變率從400s"增加到1000s-1時屈服強度增加了 0.71倍，如圖7所示?？梢?，水曲柳 試件的動態(tài)屈服強度隨應變率的增大而增大，具有較明顯的應變率敏感性，水曲柳是一種 應變率敏感材料。屈服強度/mpa圖7水曲柳咼應變率加載屈服強度fig.7 high strain rate loading yield strength of fraxinus mandsh

24、urica3結論本文通過選用密度和彈性模量較低的鋁桿和采用半導體應變片測試脈沖信號較弱的透 射波，很好的解決了木材與shpb桿z間波阻抗不匹配的問題，準確的獲得了動載條件下 水曲柳的解理特征及應力一應變特性，得到了以下結論：1)隨著應變率的增加，水曲柳的解離程度也隨z加大，水曲柳沿眩向加載時最易解離，而沿軸 向加載時最難解離，這主要是由木材高度各向異性的結構導致不同方向上能量耗散機制的不 同導致。2) 動態(tài)加載條件下水曲柳的應力一應變曲線可以由屈服點應變分為彈性階段和屈服后弱線 性強化階段兩部分。這是由于加載速度較快使得壓縮載荷對木材試件所做的功無法均勻地傳遞到試件內(nèi)部，導致整個試件受載嚴重不

25、均勻，使得試件還沒有進入幕強化階段的時 候就由于局部的應力集中而導致試件產(chǎn)生破壞。3) 動態(tài)加載條件下水曲柳的動態(tài)屈服強度隨應變率的增大而增大，具有很強的應變率 敏感性，水曲柳是一種應變率敏感材料。當應變率從400 s"增加到1 000 s"時，水曲柳 沿徑向、弦向和軸向加載時的動態(tài)屈服強度分別增加了 0.45, 1.34和0.71倍。致謝哈爾濱工業(yè)大學空間碎片高速撞擊研究中心張偉教授、任鵬博士、葉楠博士和黃威博 士對試驗順利完成和數(shù)據(jù)處理工作給予幫助，謹此致謝。參考文獻(references)|1丨張秀利，梁迎春.機械結構的多目標模糊優(yōu)化方法|j|.哈爾濱工業(yè)大學學報，1

26、999, 5(10)： 14-17.i2j鄧斌，黃洪鐘，王金諾.多h標模糊優(yōu)化的數(shù)學模型及英求解原理和方法j.機械設計與研究，1996, 4(1)： 8-13.3j runklera t a, gerstorfer e. modelling and optimization of a refining process for fiber board productionj. control engineering practice, 2003, 36(11): 1229-1241.4 svante w. stress-strain relationships for spruce wood: influence of strain rate, moisture content a