基于f法的氣干核桃楸、水曲柳和紅松板材抗彎彈性模量的測定

基于f法的氣干核桃楸、水曲柳和紅松板材抗彎彈性模量的測定

損傷檢測技術(shù)是在不破壞檢測對(duì)象的性質(zhì)和應(yīng)用效果的前提下有效檢測和測試材料，并評(píng)估材料的完整性（缺陷分析）或其他（物理力學(xué)）特性的綜合應(yīng)用科學(xué)（李堅(jiān)，1991）。它在材料領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,并且也相對(duì)成熟,最近半個(gè)多世紀(jì)來,生物質(zhì)材料——木材領(lǐng)域的無損檢測技術(shù)也得到了快速發(fā)展。木材的聲傳播特性、聲共振特性的物理參數(shù),與木材的力學(xué)性質(zhì)有著內(nèi)在的聯(lián)系,因此,可利用木材振動(dòng)的基本共振頻率或機(jī)械波傳遞速度的測量,對(duì)其質(zhì)量或強(qiáng)度性質(zhì)進(jìn)行無損檢測。木材彈性模量是表征木材力學(xué)性能最基本和最重要的指標(biāo)之一,因此如何運(yùn)用木材的振動(dòng)特性實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、簡便地檢測木材彈性模量是木材強(qiáng)度無損檢測的一個(gè)重要研究內(nèi)容(劉鎮(zhèn)波等,2004)。目前公認(rèn)的檢測木材抗彎彈性模量的最準(zhǔn)確方法是靜態(tài)彎曲法,但這種方法測量時(shí)間長、過程繁瑣,不適合于生產(chǎn)實(shí)際。各國學(xué)者為了在實(shí)際生產(chǎn)中能快速、簡便的檢測木材力學(xué)強(qiáng)度,進(jìn)行了大量的木材動(dòng)態(tài)彈性模量檢測試驗(yàn),并取得了一定的研究成果(Nobuoetal.,1991;Hainesetal.,1996;Ilic,2001),在發(fā)達(dá)國家,已開始將振動(dòng)法檢測木材彈性模量技術(shù)用于在線檢測(Robertetal.,1998)。在我國,從20世紀(jì)80年代也開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究,其主要采用超聲波脈沖首波等幅法、FFT分析技術(shù)等方法對(duì)木材及木質(zhì)人造板動(dòng)態(tài)彈性模量進(jìn)行檢測與分析1)(戴澄月等,1987;趙學(xué)增等,1988;李華等,2003;王志同等,1995)。目前我國利用檢測木材動(dòng)態(tài)彈性模量以達(dá)到木材力學(xué)強(qiáng)度的無損檢測技術(shù)還僅局限于實(shí)驗(yàn)室研究階段,人們研究的對(duì)象也只局限于國標(biāo)力學(xué)試驗(yàn)規(guī)定的小試件木材(一般為300mm×20mm×20mm),而市場上流通和生產(chǎn)中經(jīng)常被檢測的卻是大尺寸實(shí)木板材,一般實(shí)木板材長度為1～4m,寬度為60～300mm,厚度為12～60mm,對(duì)于它們的動(dòng)態(tài)彈性模量無損檢測研究相對(duì)很少。因此研究實(shí)木板材動(dòng)態(tài)彈性模量的實(shí)時(shí)檢測對(duì)優(yōu)化、合理利用木材及實(shí)現(xiàn)在線木材力學(xué)強(qiáng)度無損檢測具有重要的實(shí)際意義。本文主要采用基于打擊音的快速傅里葉變換(FFT)分析的振動(dòng)方法對(duì)實(shí)木氣干板材的動(dòng)態(tài)彈性模量進(jìn)行快速檢測,并分析動(dòng)態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量之間的相關(guān)程度及利用動(dòng)彈性模量推測靜態(tài)彈性模量的可行性,以期為實(shí)現(xiàn)木材的在線快速檢測提供重要的技術(shù)參考。1材料和方法1.1柳、紅松、korahinusmoti的種類選用東北常見、具有代表性的3種樹種:核桃楸(Juglansmandshurica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、紅松(Pinuskoraiensis)。試件為木材市場上流通的部分常用尺寸實(shí)木氣干板材,將購置的試材在溫、濕度相對(duì)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)室中放置3個(gè)月,在試驗(yàn)開始之前對(duì)試件表面進(jìn)行加工,并截去端部開裂的部分。試件的尺寸及密度見表1。1.2動(dòng)態(tài)彈性模量的檢測本試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)彈性模量檢測采用2種振動(dòng)方式,即縱波共振方式和橫波共振方式。1.2.1共振頻率的計(jì)算縱波共振法檢測木材共振頻率的試驗(yàn)原理如圖1所示,用輕質(zhì)的紙板在試件的兩端將其支撐起。將高靈敏度的微音器置于試件一端的側(cè)面,再用小錘敲擊試件的另一端以獲得振動(dòng)信號(hào),微音器將采集到的信號(hào)傳到FFT分析儀進(jìn)行解析,得到共振頻率。用公式(1)可計(jì)算出木材的縱波動(dòng)態(tài)彈性模量值(李堅(jiān),2002)。EL=4L2f2mρ/m2(1)EL=4L2fm2ρ/m2(1)式中:EL為試件縱波動(dòng)態(tài)彈性模量(GPa);L為試件的長度(m);fm為試件縱波共振頻率(Hz);ρ為試件的密度(kg·m-3);m為高次諧頻對(duì)基頻的倍數(shù)。1.2.2fft法測定木材抗彎彈性模量橫波共振法檢測木材共振頻率的試驗(yàn)原理如圖2所示,在木材試件對(duì)應(yīng)的基頻振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處(0.224L)用輕質(zhì)紙板將其支撐起,將高靈敏度的微音器置于試件一端的下方,然后用小錘敲擊試件的另一端或中部的上面。微音器將采集到的信號(hào)傳到FFT分析儀進(jìn)行解析,得到共振頻率。用公式(2)可計(jì)算出木材抗彎彈性模量值(李堅(jiān),2002)。EF=48π2ρL4f2m/(m4T2)(2)EF=48π2ρL4fm2/(m4Τ2)(2)式中:EF為試件橫波動(dòng)態(tài)彈性模量(GPa);L為試件的長度(m);fm為試件縱波共振頻率(Hz);T為試件厚度(m);m為振動(dòng)階數(shù)所決定的系數(shù);ρ為試件的密度(kg·m-3)。1.3靜態(tài)彈性模量的檢測采用日本產(chǎn)的島津萬能力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)(AG-10TA)對(duì)所有實(shí)木板材試件(表1)進(jìn)行靜態(tài)彈性模量測量。由于目前還沒有實(shí)木板材靜態(tài)彈性模量檢測的國家標(biāo)準(zhǔn),因此,在對(duì)實(shí)木板材的靜態(tài)彈性模量進(jìn)行檢測時(shí)參考GB1936.2-91,并做適當(dāng)?shù)母淖?實(shí)驗(yàn)機(jī)的壓頭尺寸要符合試驗(yàn)試件尺寸的要求;施加荷載提高到10～20kN或者20～40kN;要注意彎曲量不能過大,以免壓斷試材;進(jìn)行多點(diǎn)測量并取平均值等等。2結(jié)果與分析通過上述試驗(yàn)后,所測得縱波動(dòng)態(tài)彈性模量(EL)、橫波抗彎彈性模量(EF)、靜態(tài)彈性模量值(ES)如表2所示。2.1各樹種之間的回歸分析核桃楸、水曲柳、紅松3個(gè)樹種分別作為獨(dú)立的樣本空間時(shí),采用橫波共振法檢測到的EF與ES之間的關(guān)系如圖3～5所示。圖6表示核桃楸、水曲柳、紅松3個(gè)樹種作為一個(gè)總體樣本空間時(shí)EF與ES之間的關(guān)系。采用一元線性回歸數(shù)學(xué)模型對(duì)每個(gè)樹種的獨(dú)立樣本空間及總體樣本空間進(jìn)行回歸分析,所得到的有關(guān)參數(shù)及相關(guān)系數(shù)如表3所示。從圖3～6及表3中可以看出,不同樹種試件組的ES與EF之間均呈線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)都在0.8以上。核桃楸和水曲柳的ES與EF之間呈顯著的線性相關(guān),紅松的ES與EF之間呈線性相關(guān),3種樹種水曲柳的ES與EF之間相關(guān)系數(shù)最大。當(dāng)3種不同樹種合并為一個(gè)樣本空間時(shí),ES與EF顯著相關(guān)。2.2el與el的相關(guān)性分析核桃楸、水曲柳、紅松3個(gè)樹種分別作為獨(dú)立的樣本空間時(shí),采用縱波共振法檢測到的EL與ES之間的關(guān)系如圖7～9所示。圖10表示核桃楸、水曲柳、紅松3個(gè)樹種作為一個(gè)總體樣本空間時(shí)EL與ES之間的關(guān)系。采用一元線性回歸數(shù)學(xué)模型對(duì)每個(gè)樹種的獨(dú)立樣本空間及合并各樹種為總體樣本空間進(jìn)行回歸分析,所得到的有關(guān)參數(shù)及相關(guān)系數(shù)如表4所示。從圖7～10及表4中可以看出,核桃楸和水曲柳樹種試件組的ES與EL之間的呈線性相關(guān),且相關(guān)性顯著,除紅松外,相關(guān)系數(shù)均在0.79以上。水曲柳的ES與EL的相關(guān)系數(shù)最大,紅松的ES與EL的線性相關(guān)系數(shù)最小。當(dāng)3種不同樹種合并為一個(gè)樣本空間時(shí),ES與EL之間呈顯著的相關(guān)性。對(duì)于紅松樹種,ES與EL之間線性相關(guān)性不明顯,可能是受紅松本身材質(zhì)的影響,紅松的材質(zhì)具有變異性較大、節(jié)子多等特點(diǎn);同時(shí),本次試驗(yàn)的紅松試件存在著一定的腐朽,這些都降低了動(dòng)態(tài)與靜態(tài)彈性模量之間的相關(guān)性。在對(duì)紅松進(jìn)行動(dòng)態(tài)彈性模量檢測過程中也發(fā)現(xiàn),紅松的共振頻率不易測得,頻譜圖像比較散亂。因此,對(duì)于缺陷較多的木材,要用一定的系數(shù)修正回歸方程,以提高動(dòng)態(tài)與靜態(tài)彈性模量之間的相關(guān)程度,但缺陷對(duì)基于聲振動(dòng)方式估計(jì)的木材力學(xué)強(qiáng)度精度的影響程度還有待進(jìn)一步研究與探討。從上述分析中可以看出,EL與ES的相關(guān)系數(shù)要小于EF與ES的相關(guān)系數(shù),這也是合乎規(guī)律的。因?yàn)镋S的檢測方式為彎曲變形,EF的檢測方式為彎曲振動(dòng),都是基于彎曲的原理,而EL的檢測方式為縱波共振,與前兩者相比較,檢測的原理存在著一定的差異,這就引起了EL與ES之間相關(guān)性弱于EF與ES之間的相關(guān)性。這與Ilic(2001)用小尺寸試件試驗(yàn)得出的“EL與ES之間相關(guān)性弱于EF與ES之間相關(guān)性”的結(jié)論相吻合。同時(shí),從表3、4中也可看出,每個(gè)樹種或總體樣本的EF-ES與EL-ES回歸方程的斜率a值和縱截距b值都比較接近,即EF-ES與EL-ES回歸方程是2條接近平行且間距較小的直線,因此可以說明應(yīng)用2種動(dòng)態(tài)彈性模量推測靜態(tài)彈性模量都是可行的。從回歸方程的斜率a值看,核桃楸、水曲柳接近于1,而紅松不到0.3;從回歸方程的縱截距看,相關(guān)性較大的核桃楸、水曲柳的縱截距<0,而相關(guān)系小的紅松的縱截距是>0,這2點(diǎn)可說明樣本中紅松試件的力學(xué)強(qiáng)度值比較小,且通過動(dòng)彈估計(jì)紅松的靜彈時(shí)受其他因素影響較大。2.3各樹種之間的相關(guān)程度學(xué)習(xí)核桃楸、水曲柳、紅松及總體樣本空間的ES、EF、EL相互之間的相關(guān)系數(shù)如圖11所示。從圖中可以看出,核桃楸、水曲柳、紅松3種樹種作為獨(dú)立的樣本空間及將3種樹種合并為一個(gè)總體樣本空間時(shí),測得的各種彈性模量之間都有如下的關(guān)系:rEF-EL>rES-EF>rES-EL,即2種動(dòng)態(tài)彈性模量之間的相關(guān)程度最高,相關(guān)系數(shù)最大,而靜彈性模量ES與縱波共振動(dòng)彈性模量EL之間的相關(guān)程度最低,相關(guān)系數(shù)最小。從前面的分析及圖11中可以看出,當(dāng)不同樹種試件合并為總體樣本空間時(shí),任意2種彈性模量之間的相關(guān)程度較高(rES-EF=0.8684,rES-EL=0.8443,rEF-EL=0.9834),基本上不低于單個(gè)樹種的相關(guān)程度。這說明用FFT快速自動(dòng)檢測實(shí)際大尺寸木材的彈性模量具有普遍性意義,實(shí)用性較強(qiáng)。在獲得大量基礎(chǔ)性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的前提下,不必考慮樹種變化的影響,可進(jìn)行實(shí)際大尺寸木材彈性模量的自動(dòng)檢測,從而為木材強(qiáng)度在線實(shí)時(shí)檢測成套設(shè)備的研制提供重要的技術(shù)指標(biāo)。2.4密度對(duì)靜態(tài)彈性模量的影響眾所周知,木材密度是決定木材強(qiáng)度的一個(gè)重要因素,以往采用小尺寸標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行的試驗(yàn)研究均表明木材密度與彈性模量之間存在著一定程度的相關(guān)關(guān)系(趙學(xué)增等,1988)。根據(jù)本次采用實(shí)際大尺寸試件的研究可以看出(圖12),靜態(tài)彈性模量ES與密度ρ之間呈顯著相關(guān),其相關(guān)系數(shù)rES-ρ=0.7220。同時(shí)結(jié)合前面的分析得出:靜態(tài)彈性模量ES與密度ρ的相關(guān)程度要小于動(dòng)態(tài)彈性模量EF、EL與靜態(tài)彈性模ES之間的相關(guān)程度(r=0.8～0.9,除紅松外),這說明采用聲共振FFT測定木材動(dòng)態(tài)彈性模量的方法比簡單地根據(jù)木材密度估計(jì)的方法提高了木材靜彈性模量推測的準(zhǔn)確度和精度。為了進(jìn)一步考察密度對(duì)靜態(tài)與動(dòng)態(tài)彈性模量之間相關(guān)性的影響,不考慮樹種因素,將試件按密度范圍分成3組(見表5,表中列出2種密度范圍劃分方式),分析不同密度范圍內(nèi)ES-EF、ES-EL之間的相關(guān)性。從表5中可以看出,在不同密度范圍,ES-EF、ES-EL之間都呈顯著相關(guān)性,且有與2.3中分析相一致的rES-EF>rES-EL規(guī)律;同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著密度增大,rES-EF、rES-EL也逐漸增大,但是否能說明“密度越大,靜態(tài)與動(dòng)態(tài)彈性模量之間的相關(guān)性越好”這一結(jié)論還需要進(jìn)一步研究。將不同密度范圍與總體樣本空間相比較,可以看出總體樣本空間的rES-EF、rES-EL基本上都接近或大于單個(gè)密度范圍內(nèi)的rES-EF、rES-EL,這也進(jìn)一步說明了用FFT快速自動(dòng)檢測實(shí)木板材的彈性模量具有普遍性意義。3es與if的相關(guān)程度3種樹種無論是分別作為獨(dú)立樣本還是合并為總體樣本空間,靜彈性模量(ES)與2種動(dòng)彈性模量(EL、EF)之間基本都呈顯著的線性關(guān)系,但ES與EL之間的相關(guān)程度(r=0.8443)要小于ES與EF之間的相關(guān)程度(r=0.8684)。不同樹種試