動(dòng)載條件下水曲柳解離特征及應(yīng)力-應(yīng)變特性研究

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

2、化階段兩部分；水曲柳的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度具有很強(qiáng)的應(yīng)變率敏感性，當(dāng)應(yīng)變率從 400s-1增加到1000s-1時(shí)，水曲柳沿徑向、弦向和軸向加載時(shí)的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度分別增加了 0.45 倍、1.34 倍和 0.71 倍。15 關(guān)鍵詞：動(dòng)載條件；水曲柳；解離特征；應(yīng)力一應(yīng)變特性；應(yīng)變率中圖分類(lèi)號(hào)：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(guò)程中,磨片的基本齒形結(jié)構(gòu)對(duì)木材原料的動(dòng)載作用發(fā)牛復(fù)雜的結(jié)聯(lián)，磨片的齒形結(jié)構(gòu)參數(shù) 必須結(jié)合木材原料的研磨解離機(jī)制才能夠進(jìn)行優(yōu)化，_31o由于纖維分離設(shè)備的封閉式結(jié)構(gòu)與其惡劣 的工作環(huán)境，使得現(xiàn)有的技術(shù)難于對(duì)纖維研磨解離的全過(guò)程以及其中蘊(yùn)含的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 針對(duì)這一難題，許多國(guó)外學(xué)者將木材原料的研磨解離機(jī)制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為研磨條件下木基金項(xiàng)目：教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20130062110005)作者簡(jiǎn)介：花軍(1959)，男，教授，主要研究方向：木材科學(xué)與技術(shù)/機(jī)械設(shè)計(jì)及理論.e-mail:材原料動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的研究。atack等研究了帶有預(yù)制裂紋木材的力學(xué)性能；eskelin

9、en等使用擺錘力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試了 8個(gè)不同沖擊方向?qū)_擊能量吸收的影響習(xí)；uhmcicr等利用伺服 液壓力學(xué)試驗(yàn)機(jī)研究了 25s_ 98°c條件下云杉的力學(xué)性能；widehammar利用伺服液壓萬(wàn) 能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和截面為矩形的分離式hopkinson桿(shpb)試驗(yàn)裝置研究了云杉的力學(xué) 性能，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率對(duì)云杉的力學(xué)性能有很大影響。雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)靜態(tài)及準(zhǔn)靜態(tài)加載條件下 木材的斷裂力學(xué)己開(kāi)展了大量的研究l8_9j,但對(duì)研磨條件下木材的動(dòng)力學(xué)特性的研究尚未 見(jiàn)報(bào)到。雖然國(guó)外學(xué)者對(duì)熱磨機(jī)研磨條件下木材原料力學(xué)性能的研究開(kāi)展較早，但是絕大部分的研 究都是在準(zhǔn)靜態(tài)或應(yīng)變率較低的環(huán)境下進(jìn)行的無(wú)法達(dá)

10、到熱磨機(jī)研磨條件下的應(yīng)變率，這導(dǎo)致研 究得到的結(jié)果嚴(yán)重的脫離了牛產(chǎn)的實(shí)際情況。分離式hopkinson桿(shpb)技術(shù)是獲得材料 在102訂_10營(yíng)1應(yīng)變率范圍內(nèi)動(dòng)力學(xué)特性的主要實(shí)驗(yàn)手段，完全可以滿(mǎn)足熱磨機(jī) 研磨條件下木材原料1000s-1的應(yīng)變率。本文以纖維板生產(chǎn)中常用的水曲柳為試驗(yàn)材料， 利用shpb試驗(yàn)裝置研究熱磨機(jī)研磨動(dòng)載條件下水曲柳材的解離特征及應(yīng)力一應(yīng)變特性， 旨在為木材原料研磨解離機(jī)理的研究及熱磨機(jī)纖維分離設(shè)備或研磨磨具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提 供理論指導(dǎo)。1試驗(yàn)材料與方法試驗(yàn)選取纖維板生產(chǎn)中常用的水曲柳作為試驗(yàn)材料，測(cè)m 400s_1 > 700s_ 1000s-1三個(gè)應(yīng)變 率

11、，徑向、弦向、軸向三個(gè)加載方向上的解離特征及應(yīng)力一應(yīng)變特性。試驗(yàn)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?yàn)?加載方向，試件含水率約為12.53%,氣干密度約為0.93g/cn?°試驗(yàn)在shpb試驗(yàn)裝置上完成，shpb試驗(yàn)裝置原理如圖1所示。試件夾在入射桿與透 射桿之間，試驗(yàn)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(gè)入射波，當(dāng)入射波 傳至入射桿與試件接觸面時(shí)，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(jìn)入透射桿形 成透射波，入射波、反射波由入

12、射桿上的應(yīng)變片測(cè)得，透射波由透射桿上的應(yīng)變片測(cè)得。就28 計(jì)iwi圖1 shpb試驗(yàn)裝置fig.l shpb experimental device試件在應(yīng)力波作用下發(fā)生變形，通過(guò)入射桿和透射桿上釆集得到的應(yīng)力波信號(hào)，結(jié)合 一維應(yīng)力波假定和均勻性假定，則可確定試件在應(yīng)力波作用下的應(yīng)變率& (0、應(yīng)變& (/)、應(yīng)力(7 s，計(jì)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(zhǎng)度；as 為試件的橫截面積；力0為桿的橫截面積。80試驗(yàn)時(shí)反射波與透射波的強(qiáng)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(jì)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(dāng)試件材料的波阻抗遠(yuǎn)小于桿材料的波阻抗時(shí)，入射波將會(huì)被大量的反射冋入射桿中;85當(dāng)試件材料與桿材料的波阻抗相差很小或相等時(shí)，入射波將會(huì)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(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的精度很差。為了解決波阻抗的匹配問(wèn) 題，試驗(yàn)選用密度和彈性模量相對(duì)較低的鋁桿。同時(shí)考慮到木材波阻抗較低造成透射波較弱， 應(yīng)用普通應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試獲得的信號(hào)信噪比較低，試驗(yàn)中透射桿上采用半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè) 試透射波，對(duì)于波強(qiáng)度較

14、高的入射桿仍用普通應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試。90木試驗(yàn)所用shpb桿試驗(yàn)裝置：入射桿、反射桿、子彈長(zhǎng)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(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片用于測(cè)定應(yīng)力波。2試驗(yàn)材料與方法shpb試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的入射波、反射波和透射波的典型應(yīng)力波圖形如圖2所示。可以95 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(jiàn)使用阻抗較低的鋁桿和在透射桿上使用半導(dǎo)體應(yīng)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(wèn)題，1.5 通道2shpb試驗(yàn)獲得了較好的

15、試驗(yàn)結(jié)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(shí)間(us)圖2軸向加載400s'1的應(yīng)力波形圖100fig.2 the axial loading 400s 1 of stress wave2.1動(dòng)載條件下水曲柳的解離特征圖3為應(yīng)變率為400s_ 1時(shí)水曲柳試件的解離圖像。當(dāng)應(yīng)變率為400s_1時(shí)，水曲柳沿徑向、弦向和軸向加載的試件均沒(méi)有宏觀(guān)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(shí)。(3)軸向圖3應(yīng)變率為4()()s"時(shí)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(yīng)變率為700s_1時(shí)水曲柳試件的解離圖像。當(dāng)應(yīng)變率為700s'1時(shí)，沿徑向加載試 件在加載面上產(chǎn)生宏觀(guān)裂紋，裂紋沿著早、晚材進(jìn)行擴(kuò)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(guān)裂紋，裂紋沿著早、晚材的分界處進(jìn)行擴(kuò)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(méi)有沿加載方向產(chǎn) 生褶皺現(xiàn)象。圖4(2)弦向應(yīng)變率為700s'1時(shí)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(yīng)變率為l()()()s"時(shí)水曲柳試件的解離圖像，應(yīng)變率為1000s'1時(shí)，沿徑向加載 試件在早、晚材分界處產(chǎn)生了更多的宏觀(guān)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(yīng)變率為1000s'時(shí)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(duì)比分析各組試齡水曲柳試件發(fā)現(xiàn)：隨著應(yīng)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(shí)最易解離，沿軸向加載時(shí)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(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同方向上能量耗散機(jī)制的不同導(dǎo)致。水曲柳試件沿徑向、弦向加載時(shí)，水曲柳試件主要通過(guò)細(xì)胞壁的彈性、竣性變形來(lái)耗散能量；而沿軸向加載時(shí)，水曲柳試件主要是 通過(guò)細(xì)胞中微纖絲的滑移來(lái)耗散能量。雖然水曲柳試件沿徑向、弦向加載時(shí)均

19、是通過(guò)細(xì)胞壁的變形來(lái)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(dǎo)致沿徑、弦向加 載時(shí)解離的難易程度的不同。沿徑向加載時(shí)在加載方向上早、晚材是交替分布的，沿弦向加載 時(shí)加載方向上早、晚材是與加載方向平行呈交錯(cuò)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(kāi)始，沿著早、晚材的分界處擴(kuò)展。但是，沿徑向加載時(shí)， 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(shí)的解離程度大于徑向。2.2動(dòng)載條件下水曲柳的應(yīng)力一應(yīng)變特性木材是多孔性材料，山許多含有空腔的細(xì)胞組成。在準(zhǔn)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(xué)特性

20、，其應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)可由屈服點(diǎn)應(yīng)變和細(xì)胞壁壓密化臨界應(yīng)變分 為三個(gè)階段：彈性階段、屈服后若線(xiàn)性強(qiáng)化階段和幕強(qiáng)化階段i"】。但是，在動(dòng)態(tài)加載條件 下木材的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)與準(zhǔn)靜態(tài)有較大差異。圖6為水曲柳試件應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)，對(duì)比 分析各組試驗(yàn)試件的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)：1) 動(dòng)載條件下水曲柳的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)可以由屈服點(diǎn)應(yīng)變分為彈性階段和屈服后弱線(xiàn) 性強(qiáng)化階段兩部分。與準(zhǔn)靜態(tài)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)相比，動(dòng)態(tài)加載時(shí)水曲柳試件的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)沒(méi)有幕強(qiáng)化階 段，這主要是由較高的應(yīng)變率引起c由于加載速度較快使得載荷對(duì)水曲柳試件所做的功無(wú)法均 勻的傳遞到試件內(nèi)部，這就導(dǎo)致整個(gè)試件受載嚴(yán)重不均勻，“前半部分”試件

21、被過(guò)度的加載。當(dāng) “后半部分”試件進(jìn)入塑性屈服階段時(shí)，“前半部分''試件可能已經(jīng)部分被壓實(shí)了，而“后 半部分"試件還沒(méi)有被壓實(shí)的時(shí)候，“前半部分式件就由于局部的應(yīng)力集中而導(dǎo)致試件產(chǎn)生 破壞，從而使得試件還沒(méi)有進(jìn)入幕強(qiáng)化階段的時(shí)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(shuō)明試件受載的不均勻性，受載過(guò)程中試件應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)在 弱線(xiàn)性強(qiáng)化階段的震蕩也是由丁 試件受載不均勻引起的。應(yīng)變/%徑向加載°03691215應(yīng)變/%弦向加載(3)軸向加載圖6水川1柳試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖fig.6 the stress-strain curve of f

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

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

24、urica3結(jié)論本文通過(guò)選用密度和彈性模量較低的鋁桿和采用半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)試脈沖信號(hào)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(wèn)題，準(zhǔn)確的獲得了動(dòng)載條件下 水曲柳的解理特征及應(yīng)力一應(yīng)變特性，得到了以下結(jié)論：1)隨著應(yīng)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(shí)最易解離，而沿軸 向加載時(shí)最難解離，這主要是由木材高度各向異性的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不同方向上能量耗散機(jī)制的不 同導(dǎo)致。2) 動(dòng)態(tài)加載條件下水曲柳的應(yīng)力一應(yīng)變曲線(xiàn)可以由屈服點(diǎn)應(yīng)變分為彈性階段和屈服后弱線(xiàn) 性強(qiáng)化階段兩部分。這是由于加載速度較快使得壓縮載荷對(duì)木材試件所做的功無(wú)法均勻地傳遞到試件內(nèi)部，導(dǎo)致整個(gè)試件受載嚴(yán)重不

25、均勻，使得試件還沒(méi)有進(jìn)入幕強(qiáng)化階段的時(shí) 候就由于局部的應(yīng)力集中而導(dǎo)致試件產(chǎn)生破壞。3) 動(dòng)態(tài)加載條件下水曲柳的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而增大，具有很強(qiáng)的應(yīng)變率 敏感性，水曲柳是一種應(yīng)變率敏感材料。當(dāng)應(yīng)變率從400 s"增加到1 000 s"時(shí)，水曲柳 沿徑向、弦向和軸向加載時(shí)的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度分別增加了 0.45, 1.34和0.71倍。致謝哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(duì)試驗(yàn)順利完成和數(shù)據(jù)處理工作給予幫助，謹(jǐn)此致謝。參考文獻(xiàn)(references)|1丨張秀利，梁迎春.機(jī)械結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)模糊優(yōu)化方法|j|.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1

26、999, 5(10)： 14-17.i2j鄧斌，黃洪鐘，王金諾.多h標(biāo)模糊優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型及英求解原理和方法j.機(jī)械設(shè)計(jì)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