动载条件下水曲柳解离特征及应力-应变特性研究

1、动载条件下水曲柳解离特征及应力一应变特性研究花军，陈光伟，张绍群，许威5(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040)摘要：以水曲柳为研究对象，利用shpb试验装置对含水率为12.53%,密度为().93g/cn? 水曲柳试件进行了应变率为400s"、7(x)s_ 1000s",加载方向为径向、弦向和轴向的动态加 载试验，获得了水曲柳在不同应变率及方向上动态加载的解离特征及应力一应变特性。结10 果表明：随着应变率的增加，水曲柳的解离程度也随之加大，沿弦向加载时最易解离，沿轴向 加载时最难解离；动载条件下水曲柳的应力一应变曲线可以由屈服点应变分为弹性阶段和 屈服后弱线性强

2、化阶段两部分；水曲柳的动态屈服强度具有很强的应变率敏感性，当应变率从 400s-1增加到1000s-1时，水曲柳沿径向、弦向和轴向加载时的动态屈服强度分别增加了 0.45 倍、1.34 倍和 0.71 倍。15 关键词：动载条件；水曲柳；解离特征；应力一应变特性；应变率中图分类号：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在纤维

8、研磨过程中,磨片的基本齿形结构对木材原料的动载作用发牛复杂的结联，磨片的齿形结构参数 必须结合木材原料的研磨解离机制才能够进行优化，_31o由于纤维分离设备的封闭式结构与其恶劣 的工作环境，使得现有的技术难于对纤维研磨解离的全过程以及其中蕴含的动力学现象进行监测。 针对这一难题，许多国外学者将木材原料的研磨解离机制问题转化为研磨条件下木基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20130062110005)作者简介：花军(1959)，男，教授，主要研究方向：木材科学与技术/机械设计及理论.e-mail:材原料动态力学特性的研究。atack等研究了带有预制裂纹木材的力学性能；eskelin

9、en等使用摆锤力学试验机，测试了 8个不同冲击方向对冲击能量吸收的影响习；uhmcicr等利用伺服 液压力学试验机研究了 25s_ 98°c条件下云杉的力学性能；widehammar利用伺服液压万 能力学试验机和截面为矩形的分离式hopkinson杆(shpb)试验装置研究了云杉的力学 性能，发现应变率对云杉的力学性能有很大影响。虽然国内学者对静态及准静态加载条件下 木材的断裂力学己开展了大量的研究l8_9j,但对研磨条件下木材的动力学特性的研究尚未 见报到。虽然国外学者对热磨机研磨条件下木材原料力学性能的研究开展较早，但是绝大部分的研 究都是在准静态或应变率较低的环境下进行的无法达

10、到热磨机研磨条件下的应变率，这导致研 究得到的结果严重的脱离了牛产的实际情况。分离式hopkinson杆(shpb)技术是获得材料 在102訂_10營1应变率范围内动力学特性的主要实验手段，完全可以满足热磨机 研磨条件下木材原料1000s-1的应变率。本文以纤维板生产中常用的水曲柳为试验材料， 利用shpb试验装置研究热磨机研磨动载条件下水曲柳材的解离特征及应力一应变特性， 旨在为木材原料研磨解离机理的研究及热磨机纤维分离设备或研磨磨具的结构优化设计提 供理论指导。1试验材料与方法试验选取纤维板生产中常用的水曲柳作为试验材料，测m 400s_1 > 700s_ 1000s-1三个应变 率

11、，径向、弦向、轴向三个加载方向上的解离特征及应力一应变特性。试验所用水曲柳产 自黑龙江省，试件在同根试材的边材处截取，试件尺寸为25x25x20mm3, 20mm方向为 加载方向，试件含水率约为12.53%,气干密度约为0.93g/cn?°试验在shpb试验装置上完成，shpb试验装置原理如图1所示。试件夹在入射杆与透 射杆之间，试验中子弹以一定的速度撞击入射杆，在入射杆内产生一个入射波，当入射波 传至入射杆与试件接触面时，一部分入射波被反射回入射杆中形成反射波，另一部分入射 波传入试件内部，该部分波在试件与透射杆接触面处部分被反射，另一部分进入透射杆形 成透射波，入射波、反射波由入

12、射杆上的应变片测得，透射波由透射杆上的应变片测得。就28 计iwi图1 shpb试验装置fig.l shpb experimental device试件在应力波作用下发生变形，通过入射杆和透射杆上釆集得到的应力波信号，结合 一维应力波假定和均匀性假定，则可确定试件在应力波作用下的应变率& (0、应变& (/)、应力(7 s，计算公式如下：(1)f £ (t)dtjo »力06()二eoc(/)式屮，co为杆屮的弹性波速；eo为杆的弹性模量；5为加载方向上试件的有效长度；as 为试件的横截面积；力0为杆的横截面积。80试验时反射波与透射波的强度是由杆与试件材料

13、之间的波阻抗匹配程度决定的，材料的波阻抗计算公式如下uu：z = a 厉(4)式中，a为材料的横截而积，m2； e为材料的弹性模量，pa； p为材料的密度，kg/cn?。 当试件材料的波阻抗远小于杆材料的波阻抗时，入射波将会被大量的反射冋入射杆中;85当试件材料与杆材料的波阻抗相差很小或相等时，入射波将会大量的透射到试件中。以上两种情况使透射波或反射波非常的弱，这会导致试验结果的精度很差。为了解决波阻抗的匹配问 题，试验选用密度和弹性模量相对较低的铝杆。同时考虑到木材波阻抗较低造成透射波较弱， 应用普通应变片进行测试获得的信号信噪比较低，试验中透射杆上采用半导体应变片测 试透射波，对于波强度较

14、高的入射杆仍用普通应变片进行测试。90木试验所用shpb杆试验装置：入射杆、反射杆、子弹长度分别为1800mm、1800mm> 300mm,均 为40mm铝杆，其弹性模量为71gpa,密度为2700kg/m3o在入射杆、透射杆距离试件 1000mm处分别粘贴普通应变片和半导体应变片用于测定应力波。2试验材料与方法shpb试验过程中测得的入射波、反射波和透射波的典型应力波图形如图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，可见使用阻抗较低的铝杆和在透射杆上使用半导体应变片较好的解决了水曲柳试件与shpb杆之间波阻抗不匹配的问题，1.5 通道2shpb试验获得了较好的

15、试验结果。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时间(us)图2轴向加载400s'1的应力波形图100fig.2 the axial loading 400s 1 of stress wave2.1动载条件下水曲柳的解离特征图3为应变率为400s_ 1时水曲柳试件的解离图像。当应变率为400s_1时，水曲柳沿径向、弦向和轴向加载的试件均没有宏观裂纹产生，只是沿加载方向产生塑性变形被圧的更加密实。(3)轴向图3应变率为4()()s"时水曲柳试件的解离图像

16、fig.3 the strain rate 400s 1 dissociative image of fraxinus mandshurica specimens图4为应变率为700s_1时水曲柳试件的解离图像。当应变率为700s'1时，沿径向加载试 件在加载面上产生宏观裂纹，裂纹沿着早、晚材进行扩展将试件解离成几大块；沿弦向加 载试件沿加载方向产生了数条宏观裂纹，裂纹沿着早、晚材的分界处进行扩展将试件分解 成儿大块试件；沿轴向加载试件在加载面上沿加载方向产生劈裂，但是没有沿加载方向产 生褶皱现象。图4(2)弦向应变率为700s'1时水曲柳试件的解离图像-1fig.4 the

17、strain rate 700s dissociative image of fraxinus mandshurica specimens图5为应变率为l()()()s"时水曲柳试件的解离图像，应变率为1000s'1时，沿径向加载 试件在早、晚材分界处产生了更多的宏观裂纹，将试件解离成更多的大块试件；沿弦向加载试 件被解离成更多的大块试件，有“火柴棍状”的小试件从大试件上剥离；沿轴向加载试件在 加载而上产生了更多的劈裂裂纹将试件解离成儿人块，并且在加载而上产生了褶皱现彖。(3)轴向(2)弦向图5应变率为1000s'时水曲柳试件的解离图像-1fig.5 the stra

18、in rate 1000s dissociative image of fraxinus mandshurica specimens根据图3、图4、图5水曲柳试件的解离图像，对比分析各组试齡水曲柳试件发现：随着应变率的增加，水曲柳试件的解离程度也随着加大，水曲柳试件沿弦向加载时最易解离，沿轴向加载时最难解离。水曲柳试件不同方向上解离难易程度的差异主要是由木材高度各向异性的结构导致不同方向上能量耗散机制的不同导致。水曲柳试件沿径向、弦向加载时，水曲柳试件主要通过细胞壁的弹性、竣性变形来耗散能量；而沿轴向加载时，水曲柳试件主要是 通过细胞中微纤丝的滑移来耗散能量。虽然水曲柳试件沿径向、弦向加载时均

19、是通过细胞壁的变形来耗散能量，但是在加载方向上早、晚材的分布形式是不同的，这导致沿径、弦向加 载时解离的难易程度的不同。沿径向加载时在加载方向上早、晚材是交替分布的，沿弦向加载 时加载方向上早、晚材是与加载方向平行呈交错分布。沿径向和弦向加载吋，试件内部产生的初始裂纹均是从早材处开始，沿着早、晚材的分界处扩展。但是，沿径向加载时， 加载力的方向与早、晚材的分界血垂直，而沿弦向加载吋，加载力的方向与早、晚材的分 界面平行，所以沿眩向受载时的解离程度大于径向。2.2动载条件下水曲柳的应力一应变特性木材是多孔性材料，山许多含有空腔的细胞组成。在准静态压缩加载条件下木材表现出 与多孔材料相同的力学特性

20、，其应力一应变曲线可由屈服点应变和细胞壁压密化临界应变分 为三个阶段：弹性阶段、屈服后若线性强化阶段和幕强化阶段i"】。但是，在动态加载条件 下木材的应力一应变曲线与准静态有较大差异。图6为水曲柳试件应力一应变曲线，对比 分析各组试验试件的应力一应变曲线发现：1) 动载条件下水曲柳的应力一应变曲线可以由屈服点应变分为弹性阶段和屈服后弱线 性强化阶段两部分。与准静态的应力一应变曲线相比，动态加载时水曲柳试件的应力一应变曲线没有幕强化阶 段，这主要是由较高的应变率引起c由于加载速度较快使得载荷对水曲柳试件所做的功无法均 匀的传递到试件内部，这就导致整个试件受载严重不均匀，“前半部分”试件

21、被过度的加载。当 “后半部分”试件进入塑性屈服阶段时，“前半部分''试件可能已经部分被压实了，而“后 半部分"试件还没有被压实的时候，“前半部分式件就由于局部的应力集中而导致试件产生 破坏，从而使得试件还没有进入幕强化阶段的时候就已经被破坏了，图5 (3)中试件加载 面纤维的压溃现象可部分的说明试件受载的不均匀性，受载过程中试件应力一应变曲线在 弱线性强化阶段的震荡也是由丁 试件受载不均匀引起的。应变/%径向加载°03691215应变/%弦向加载(3)轴向加载图6水川1柳试件应力-应变曲线图fig.6 the stress-strain curve of f

22、raxinus mandshurica specimens2) 水曲柳的动态屈服强度随应变率的增大而增大，具有很强的应变率敏感性，它是一种应变率敏感材料。水曲柳试件沿径向加载应变率约为400s_1. 700s' 1000s-1时，其屈服强度分别约为 10.89mpa、13.39mpa、15.81mpa,应变率从400s'1增加到1000s'1时屈服强度增加了 0.45倍；沿弦 向加载应变率约为400s' 700s-1 > 1000s'1时，其屈服强度分别约为11.91mpa、20.94mpa、 27.83mpa,应变率从400s'1增加到1

23、000s_1时屈服强度增加了 1.34倍；沿轴向加载应变率约 为 400s' 700s'1 > 1000s-1 时，其屈服强度分别约为 74.54mpa> 106.99mpa、128.18mpa,应 变率从400s"增加到1000s-1时屈服强度增加了 0.71倍，如图7所示。可见，水曲柳 试件的动态屈服强度随应变率的增大而增大，具有较明显的应变率敏感性，水曲柳是一种 应变率敏感材料。屈服强度/mpa图7水曲柳咼应变率加載屈服强度fig.7 high strain rate loading yield strength of fraxinus mandsh

24、urica3结论本文通过选用密度和弹性模量较低的铝杆和采用半导体应变片测试脉冲信号较弱的透 射波，很好的解决了木材与shpb杆z间波阻抗不匹配的问题，准确的获得了动载条件下 水曲柳的解理特征及应力一应变特性，得到了以下结论：1)随着应变率的增加，水曲柳的解离程度也随z加大，水曲柳沿眩向加载时最易解离，而沿轴 向加载时最难解离，这主要是由木材高度各向异性的结构导致不同方向上能量耗散机制的不 同导致。2) 动态加载条件下水曲柳的应力一应变曲线可以由屈服点应变分为弹性阶段和屈服后弱线 性强化阶段两部分。这是由于加载速度较快使得压缩载荷对木材试件所做的功无法均匀地传递到试件内部，导致整个试件受载严重不

25、均匀，使得试件还没有进入幕强化阶段的时 候就由于局部的应力集中而导致试件产生破坏。3) 动态加载条件下水曲柳的动态屈服强度随应变率的增大而增大，具有很强的应变率 敏感性，水曲柳是一种应变率敏感材料。当应变率从400 s"增加到1 000 s"时，水曲柳 沿径向、弦向和轴向加载时的动态屈服强度分别增加了 0.45, 1.34和0.71倍。致谢哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心张伟教授、任鹏博士、叶楠博士和黄威博 士对试验顺利完成和数据处理工作给予帮助，谨此致谢。参考文献(references)|1丨张秀利，梁迎春.机械结构的多目标模糊优化方法|j|.哈尔滨工业大学学报，1

26、999, 5(10)： 14-17.i2j邓斌，黄洪钟，王金诺.多h标模糊优化的数学模型及英求解原理和方法j.机械设计与研究，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