毛竹材力学及破坏特性研究

本研究以毛竹材为研究对象,开展毛竹力学特性和破坏特性的研究,测定了抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗弯弹性模量等静态力学性质、总结了各指标在不同生长阶段的变异规律,并构建了毛竹材的静态力学模型;探讨了不同部位不同年龄的毛竹材的动态热机械特性;最后利用数字散斑相关方法(DSCM)测定了毛竹材在加载状态下(顺纹拉伸和顺纹压缩)的动态变形特性,分析了毛竹材动态破坏特性;并利用所得的变形信息,得出毛竹材的顺纹抗拉弹性模量。 本研究结论如下: (1)竹秆由下自上,各力学性质逐渐增加;随着年龄的增大,各力学性质也逐渐增加,4年生毛竹材的力学性质到达最佳状态,之后便呈下降趋势。年龄和部位对毛竹材力学性质影响都较显著,且各力学性质之间呈较好的正相关;力学性质之间呈以下比例关系,抗拉强度(δt):抗压强度(δc):抗弯强度(MOR):弹性模量(MOE)=2.79:1.00:2.40:150。 (2)毛竹材力学模型构建分析: a、气干密度:由竹青到竹黄,气干密度整体规律呈逐渐减小的趋势;从竹青至竹黄的1/3处,密度减幅逐渐减小,且趋于稳定;但至竹黄处,密度值略有增加;气干密度随高度的变化趋势:ρ6m>ρ4m>ρ2m;年龄、部位和高度对气干密度的影响均极显著。b、微纤丝角:毛竹材微纤丝角绝对值差异不大,最大值和最小值间的差异小于3°。从竹青到竹黄,微纤丝角大致呈先增大后减小的趋势;竹秆由下至上,微纤丝角逐渐增大;对年龄而言,微纤丝角无明显的变化规律。虽然微纤丝角间的绝对差异很小,但部位、年龄和高度对其的影响均极显著。 微纤丝角与各力学性质间的相关性很低,说明微纤丝角不是决定竹材力学性质变异的主要因子。气干密度与各力学特性间存在很好的线性关系。 (3)毛竹材存储模量随温度的上升而减小;当温度低于玻璃化转变温度,损耗模量随温度的上升而增大,当温度达到玻璃化转变温度时,损耗模量达到峰值,之后随温度的上升而逐渐减小。对不同部位的毛竹材,存储模量和损耗模量沿竹壁径向,由内而外依次增大;对不同年龄的毛竹,存储模量和损耗模量均随年龄的增加而增大。沿竹壁径向上,毛竹材玻璃化转变温度存在一定差异,由内而外依次增大,即竹青最高、竹肉次之,竹黄最低;对于不同年龄同一部位的毛竹材,玻璃化转变温度无显著差异。 (4)毛竹材顺纹抗拉和顺纹抗压的动态破坏均表现为复杂的破坏形式。在拉伸过程中,毛竹材在纤维之间撕开,纤维本身的抗拉强度不能充分发挥。由于纤维之间的滑移使其产生撕裂破坏,破坏断面呈针状撕裂,使抗拉试样断口层次不齐。试样最初断口均靠竹黄一侧,在垂直于纤维方向产生细微的裂口,之后随断口的增大,裂口逐渐增大,直至产生纵向的撕裂。对于抗压动态破坏,由于毛竹材和载荷接触的地方出现应力集中,故顺纹抗压破坏主要出现在端部;由于靠近竹黄处维管束稀疏,承载能力弱,容易被压溃,毛竹材的扭曲发生在靠近加载头的竹黄一侧。 (5)通过使用DSCM和引伸计法两种方法对毛竹材抗拉弹性的测定,得出两者的相对误差在5%之内,这说明DSCM可成功应用于竹材弹性模量的测试;且通过DSCM所得的毛竹材弹性模量变异规律同竹材常规的测试法所得结果一致。通过上述的研究证实:应用DSCM进行木材的常规力学测试可以得到一些重要的新结果,这些结果对于深入认识木材的力学性质以及指导木材加工工艺等都有重要意义。它的应用对于许多实际的问题具有指导意义,DSCM的特点和木材非均匀特性对测试方法的特殊要求决定了DSCM在木材科学中具有广阔的应用前景。