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，1991）。它在材料領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,并且也相對成熟,最近半個多世紀(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,可利用木材振動的基本共振頻率或機械波傳遞速度的測量,對其質(zhì)量或強度性質(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,因此如何運用木材的振動特性實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、簡便地檢測木材彈性模量是木材強度無損檢測的一個重要研究內(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,但這種方法測量時間長、過程繁瑣,不適合于生產(chǎn)實際。各國學(xué)者為了在實際生產(chǎn)中能快速、簡便的檢測木材力學(xué)強度,進(jìn)行了大量的木材動態(tài)彈性模量檢測試驗,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)等方法對木材及木質(zhì)人造板動態(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態(tài)彈性模量以達(dá)到木材力學(xué)強度的無損檢測技術(shù)還僅局限于實驗室研究階段,人們研究的對象也只局限于國標(biāo)力學(xué)試驗規(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木板材,一般實木板材長度為1～4m,寬度為60～300mm,厚度為12～60mm,對于它們的動態(tài)彈性模量無損檢測研究相對很少。因此研究實木板材動態(tài)彈性模量的實時檢測對優(yōu)化、合理利用木材及實現(xiàn)在線木材力學(xué)強度無損檢測具有重要的實際意義。本文主要采用基于打擊音的快速傅里葉變換(FFT)分析的振動方法對實木氣干板材的動態(tài)彈性模量進(jìn)行快速檢測,并分析動態(tài)彈性模量與靜態(tài)彈性模量之間的相關(guān)程度及利用動彈性模量推測靜態(tài)彈性模量的可行性,以期為實現(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木氣干板材,將購置的試材在溫、濕度相對穩(wěn)定的實驗室中放置3個月,在試驗開始之前對試件表面進(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動態(tài)彈性模量的檢測本試驗的動態(tài)彈性模量檢測采用2種振動方式,即縱波共振方式和橫波共振方式。1.2.1共振頻率的計算縱波共振法檢測木材共振頻率的試驗原理如圖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信號,微音器將采集到的信號傳到FFT分析儀進(jìn)行解析,得到共振頻率。用公式(1)可計算出木材的縱波動態(tài)彈性模量值(李堅,2002)。EL=4L2f2mρ/m2(1)EL=4L2fm2ρ/m2(1)式中:EL為試件縱波動態(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原理如圖2所示,在木材試件對應(yīng)的基頻振動節(jié)點處(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傳到FFT分析儀進(jìn)行解析,得到共振頻率。用公式(2)可計算出木材抗彎彈性模量值(李堅,2002)。EF=48π2ρL4f2m/(m4T2)(2)EF=48π2ρL4fm2/(m4Τ2)(2)式中:EF為試件橫波動態(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)實驗機(AG-10TA)對所有實木板材試件(表1)進(jìn)行靜態(tài)彈性模量測量。由于目前還沒有實木板材靜態(tài)彈性模量檢測的國家標(biāo)準(zhǔn),因此,在對實木板材的靜態(tài)彈性模量進(jìn)行檢測時參考GB1936.2-91,并做適當(dāng)?shù)母淖?實驗機的壓頭尺寸要符合試驗試件尺寸的要求;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)行多點測量并取平均值等等。2結(jié)果與分析通過上述試驗后,所測得縱波動態(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個樹種分別作為獨立的樣本空間時,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個樹種作為一個總體樣本空間時EF與ES之間的關(guān)系。采用一元線性回歸數(shù)學(xué)模型對每個樹種的獨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樣本空間時,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個樹種分別作為獨立的樣本空間時,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個樹種作為一個總體樣本空間時EL與ES之間的關(guān)系。采用一元線性回歸數(shù)學(xué)模型對每個樹種的獨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樣本空間時,ES與EL之間呈顯著的相關(guān)性。對于紅松樹種,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;同時,本次試驗的紅松試件存在著一定的腐朽,這些都降低了動態(tài)與靜態(tài)彈性模量之間的相關(guān)性。在對紅松進(jìn)行動態(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,以提高動態(tài)與靜態(tài)彈性模量之間的相關(guān)程度,但缺陷對基于聲振動方式估計的木材力學(xué)強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。因為ES的檢測方式為彎曲變形,EF的檢測方式為彎曲振動,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,從表3、4中也可看出,每個樹種或總體樣本的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點可說明樣本中紅松試件的力學(xué)強度值比較小,且通過動彈估計紅松的靜彈時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種樹種作為獨立的樣本空間及將3種樹種合并為一個總體樣本空間時,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,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),基本上不低于單個樹種的相關(guān)程度。這說明用FFT快速自動檢測實際大尺寸木材的彈性模量具有普遍性意義,實用性較強。在獲得大量基礎(chǔ)性試驗數(shù)據(jù)的前提下,不必考慮樹種變化的影響,可進(jìn)行實際大尺寸木材彈性模量的自動檢測,從而為木材強度在線實時檢測成套設(shè)備的研制提供重要的技術(shù)指標(biāo)。2.4密度對靜態(tài)彈性模量的影響眾所周知,木材密度是決定木材強度的一個重要因素,以往采用小尺寸標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行的試驗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測定木材動態(tài)彈性模量的方法比簡單地根據(jù)木材密度估計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)一步考察密度對靜態(tài)與動態(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快速自動檢測實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立樣本還是合并為總體樣本空間,靜彈性模量(ES)與2種動彈性模量(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