植物材料

內(nèi)容概要

　　邵卓平的這本《植物材料(木、竹)斷裂力學(xué)》系統(tǒng)地闡述了植物材料(木、竹)的斷裂破壞行為和強(qiáng)韌性機(jī)理，內(nèi)容涉及木材構(gòu)造的力學(xué)特征及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、木材順紋理斷裂、木材橫紋理斷裂、木材裂尖應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析和開(kāi)裂方向預(yù)測(cè)、木材損傷斷裂過(guò)程的聲發(fā)射特性分析與Felicity效應(yīng)、竹結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征與組分力學(xué)性質(zhì)、竹材的層間斷裂性質(zhì)以及竹材橫向斷裂的物理模型與能量吸收機(jī)制。
　　《植物材料(木、竹)斷裂力學(xué)》可供材料科學(xué)與工程專業(yè)、木材科學(xué)與工程專業(yè)的本科生、研究生學(xué)習(xí)使用，也可供相關(guān)領(lǐng)域的研究人員、工程技術(shù)人員參考。

書(shū)籍目錄

前言
第1章　緒論
　1.1　斷裂力學(xué)產(chǎn)生簡(jiǎn)史
　1.2　材料力學(xué)與斷裂力學(xué)
　1.3　木材斷裂力學(xué)及研究進(jìn)展
　1.3.1　對(duì)木質(zhì)材料強(qiáng)度的預(yù)測(cè)
　1.3.2　斷裂力學(xué)結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)在分析木材裂紋擴(kuò)展機(jī)制上的應(yīng)用
　1.3.3　國(guó)內(nèi)在木材斷裂力學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展
　1.3.4　竹材斷裂性質(zhì)的研究
　1.4　本書(shū)的主要內(nèi)容
　參考文獻(xiàn)
第2章　木材構(gòu)造的力學(xué)特征及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
　2.1　木材構(gòu)造的力學(xué)特征
　2.2　固體材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
　2.3　工程彈性常數(shù)
　2.4　木材的工程彈性常數(shù)
　2.5　平面應(yīng)力與平面應(yīng)變的概念
　2.5.1　等厚平板與平面應(yīng)力
　2.5.2　長(zhǎng)柱體與平面應(yīng)變
　2.5.3　平面問(wèn)題的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系
　2.6　木材彈性系數(shù)的測(cè)定
　2.6.1　電測(cè)法測(cè)試木材彈性系數(shù)簡(jiǎn)介
　2.6.2　數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)試木材彈性系數(shù)簡(jiǎn)介
　2.6.3　彈性常數(shù)的限制
　參考文獻(xiàn)
第3章　木材順紋理斷裂
　3.1　引言
　3.2　線彈性斷裂力學(xué)的原理
　3.2.1　裂紋及特征
　3.2.2　應(yīng)力強(qiáng)度因子K及K準(zhǔn)則
　3.2.3　能量釋放率G及G準(zhǔn)則
　3.2.4　K與G關(guān)系
　3.3　各向異性材料斷裂力學(xué)
　3.4　線彈性斷裂力學(xué)在木材中應(yīng)用的特殊性
　3.5　木材順紋理斷裂應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC
　3.5.1　測(cè)試應(yīng)力強(qiáng)度因子的基本方法
　3.5.2　不同厚度下CT試件的KTL
　3.5.3　不同裂紋長(zhǎng)度下WOL試樣的K
　3.6　能量法測(cè)試木材順紋斷裂韌性G
　3.6.1　試材與試樣
　3.6.2　DCB試驗(yàn)與結(jié)果
　3.6.3　木材順紋開(kāi)裂能量釋放率(GIC)與臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子(KIC)的關(guān)系
　3.7　應(yīng)用分形理論研究木材順紋理斷裂
　3.7.1　引言
　3.7.2　分形原理
　3.7.3　實(shí)驗(yàn)與分析
　3.7.4　順紋理斷面分維數(shù)與斷裂韌性的關(guān)系
　3.8　木材順紋理Ⅲ型斷裂性質(zhì)
　3.8.1　引言
　3.8.2　試材與方法
　3.8.3　實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
　3.9　本章小結(jié)
　參考文獻(xiàn)
第4章　木材橫紋理斷裂
　4.1　引言
　4.2　木材橫紋理裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)分析
　4.3　橫紋理裂紋開(kāi)裂方向
　4.4　木材啟裂時(shí)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的測(cè)試
　4.4.1　試材和測(cè)試方法
　4.4.2　啟裂斷裂韌性K的測(cè)試與計(jì)算結(jié)果
　4.5　橫紋理裂紋對(duì)木材常規(guī)強(qiáng)度的影響
　4.5.1　含垂直紋理裂紋時(shí)的抗彎強(qiáng)度
　4.5.2　含垂直紋理裂紋時(shí)的沖擊韌性
　4.5.3　含垂直紋理裂紋時(shí)的順紋抗拉強(qiáng)度
　4.6　木梁Ⅰ型層裂和木膠合板彎曲脫層損傷中的應(yīng)變能釋放率
　4.7　本章小結(jié)
　參考文獻(xiàn)
第5章　木材裂尖應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析和開(kāi)裂方向預(yù)測(cè)
　5.1　材料與方法
　5.1.1　材料與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
　5.1.2　斷裂分析模型
　5.2　裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)
　5.2.1　Mises應(yīng)力場(chǎng)
　5.2.2　垂直和平行原裂紋面的σy、σx應(yīng)力場(chǎng)
　5.2.3　開(kāi)裂方向預(yù)測(cè)
　5.3　對(duì)木材界面強(qiáng)度與韌性的討論
　5.4　本章小結(jié)
　參考文獻(xiàn)
第6章　木材損傷斷裂過(guò)程的聲發(fā)射特性分析與Felicity效應(yīng)
　6.1　引言
　6.2　木材損傷與木材細(xì)觀損傷基本構(gòu)元
　6.3　材料、設(shè)備與方法
　6.3.1　試材與試樣
　6.3.2　設(shè)備
　6.3.3　AE研究方法
　6.4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
　6.4.1　彎曲試驗(yàn)
　6.4.2　產(chǎn)生純I型層間損傷的DCB試驗(yàn)與產(chǎn)生胞壁屈曲與塌潰損傷的壓縮試驗(yàn)
　6.4.3　木材不同損傷類型的聲發(fā)射特征
　6.5　Felicity效應(yīng)
　6.6　本章小結(jié)
　參考文獻(xiàn)
第7章　竹結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征與組分力學(xué)性質(zhì)
　7.1　引言
　7.2　竹結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征
　7.3　竹材組分的力學(xué)性質(zhì)
　7.3.1　混合律方法
　7.3.2　單束纖維測(cè)試方法
　7.3.3　拉伸破壞的斷口分析
　7.4　毛竹節(jié)間材與節(jié)部材的構(gòu)造與強(qiáng)度差異研究
　7.4.1　材料與方法
　7.4.2　竹節(jié)與節(jié)間材的結(jié)構(gòu)差異
　7.4.3　竹節(jié)與節(jié)間材的強(qiáng)度差異
　7.5　本章小結(jié)
　參考文獻(xiàn)
第8章　竹材的層間斷裂性質(zhì)
　8.1　引言
　8.2　竹材的Ⅰ型層裂性質(zhì)
　8.2.1　試驗(yàn)原理
　8.2.2　試樣與方法
　8.2.3　結(jié)果與分析
　8.2.4　Ⅰ型斷面分析
　8.3　竹材的Ⅱ型層間斷裂
　8.3.1　試驗(yàn)原理
　8.3.2　試材與方法
　8.3.3　結(jié)果與分析
　8.4　本章小結(jié)
　參考文獻(xiàn)
第9章　竹材橫向斷裂的物理模型與能量吸收機(jī)制
　9.1　引言
　9.2　竹材橫向斷裂的特征
　9.3　竹材韌性斷裂的能量吸收機(jī)制
　9.3.1　對(duì)增強(qiáng)體的力學(xué)簡(jiǎn)化
　9.3.2　基本組織的變形和開(kāi)裂
　9.3.3　界面脫黏分離
　9.3.4　纖維斷裂及斷后應(yīng)力重新分布
　9.3.5　竹纖維束抽拔
　9.3.6　實(shí)例計(jì)算
　9.4　橫斷面分析
　9.5　本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

第1章緒論 木材和竹材是植物中能夠用作結(jié)構(gòu)材料的兩種天然材料，同時(shí)也是世界上使用最久遠(yuǎn)并且目前仍用得最為廣泛的天然結(jié)構(gòu)材料。今天，這兩種天然材料的世界產(chǎn)量與鋼鐵大致相當(dāng)，每年大約為10億t，其中有許多是用于結(jié)構(gòu)方面的，如承受載荷的梁、棚架、地板和支撐體。竹材也是一種優(yōu)良的工程結(jié)構(gòu)材料，它強(qiáng)度大、剛度好、耐磨損，很早人們就用竹材建造竹樓，用作建筑腳手架、竹梯。因此，研究它們的強(qiáng)度和剛度，認(rèn)識(shí)其破壞行為，對(duì)于木、竹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全評(píng)價(jià)非常重要。斷裂是材料或結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的失效形式，在很多情況下可能會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。所以，研究材料和構(gòu)件斷裂的機(jī)理、控制和減少斷裂事故的發(fā)生，一直是材料科學(xué)工作者和工程技術(shù)人員的重要課題之一［1］。 木材和竹材也是具有明顯細(xì)觀結(jié)構(gòu)、可在多尺度下研究的天然復(fù)合材料，由于非均勻、各向異性和天然存在的微觀甚至宏觀的缺陷或損傷（裂紋），受載荷后這些初始缺陷或損傷的不規(guī)則演化行為決定著木、竹材的宏觀力學(xué)行為。因此，用斷裂力學(xué)的理論和方法去分析木、竹材的斷裂破壞行為，了解生物材料受載荷后內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化，并溝通其與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的聯(lián)系，對(duì)于木、竹結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選材和結(jié)構(gòu)安全分析具有重要意義，同時(shí)也對(duì)研發(fā)能夠克服生物材料缺點(diǎn)、具有特殊強(qiáng)韌性能的新型生物質(zhì)復(fù)合材料具有指導(dǎo)作用。 1.1 斷裂力學(xué)產(chǎn)生簡(jiǎn)史 早在1920年，Griffith曾對(duì)玻璃、陶瓷等理想脆性材料的斷裂問(wèn)題進(jìn)行過(guò)研究，得到了一些關(guān)于材料強(qiáng)度的新觀念［2］。但在當(dāng)時(shí)這些脆性體不作為工程結(jié)構(gòu)材料，其他結(jié)構(gòu)材料表現(xiàn)為脆性斷裂的也為數(shù)甚少，因此他的理論并未引起廣泛的重視。 自第二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，隨著高強(qiáng)度鋼的廣泛應(yīng)用，人們建造了許多大型焊接結(jié)構(gòu)物，結(jié)果發(fā)生的大事故明顯增多。盡管這些結(jié)構(gòu)物都滿足傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，但常在低應(yīng)力水平下突然發(fā)生脆性斷裂，而且在發(fā)生前沒(méi)有預(yù)兆，所以常會(huì)造成災(zāi)難性破壞。例如，在1938～1940年，連續(xù)發(fā)生了40座焊接橋梁的突然倒塌；在第二次世界大戰(zhàn)期間，有兩千多艘焊接艦船出現(xiàn)了一千多次的斷裂事故，238艘報(bào)廢，有的萬(wàn)噸輪會(huì)在風(fēng)平浪靜中突然斷裂成兩半；1965年英國(guó)海上鉆井平臺(tái)因支柱的拉桿發(fā)生脆斷，平臺(tái)沉沒(méi)；1965、1968年，美、日分別出現(xiàn)巨型壓力容器的爆炸，美國(guó)一巨型液糖罐破裂，竟淹死了35人；1969年美國(guó)連續(xù)發(fā)生F-111戰(zhàn)斗機(jī)、C-56軍用機(jī)因機(jī)翼轉(zhuǎn)軸脆斷墜毀等。這些重大破壞的頻繁發(fā)生震驚整個(gè)工程界，因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)物的破壞都是在滿足傳統(tǒng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求的情況下發(fā)生的。人們感到這不再是偶然因素的作用，一定是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想忽略了什么。通過(guò)大量的調(diào)查研究，人們發(fā)現(xiàn)許多事故的直接破壞原因是結(jié)構(gòu)中有裂紋存在。 近五十多年來(lái)，人們對(duì)含裂紋體的破壞進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，產(chǎn)生了斷裂力學(xué)這門(mén)新的學(xué)科，為結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的安全設(shè)計(jì)提供了新的思想和方法，并廣泛用于金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料、木材及復(fù)合材料中。因此，可以說(shuō)斷裂力學(xué)是一門(mén)研究裂紋體強(qiáng)度的科學(xué)，它的產(chǎn)生與發(fā)展是與工程重大破壞事故的發(fā)生有密切的關(guān)系。 1.2 材料力學(xué)與斷裂力學(xué) 防止斷裂是材料力學(xué)這門(mén)學(xué)科的主要任務(wù)之一。按照材料力學(xué)的設(shè)計(jì)思想［3，4］，對(duì)每種材料要求測(cè)定四項(xiàng)機(jī)械性能指標(biāo)： 強(qiáng)度指標(biāo)屈服極限σs 強(qiáng)度極限σb 韌性指標(biāo)延伸率δ 沖擊韌性Kα 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法： σ構(gòu)件≤［σ］ 式中，塑性材料［σ］＝σsn，脆性材料［σ］＝σbn，其中n＞1，為安全系數(shù)。并且，對(duì)于承受沖擊的構(gòu)件和壓力容器須校核韌性。 上述傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)是建立在材料的連續(xù)均勻性假設(shè)之上的，認(rèn)為材料中沒(méi)有裂紋和缺陷存在。實(shí)際上，工程材料中的裂紋和缺陷是不可避免的。但并不是說(shuō)存在裂紋就一定發(fā)生斷裂，是否會(huì)發(fā)生斷裂，除了與裂紋長(zhǎng)度、外力大小等因素有關(guān)外，還與材料對(duì)裂紋的敏感度――“斷裂韌度”有關(guān)［4］。 斷裂力學(xué)拋棄了物體的連續(xù)性假設(shè)，它以彈、塑性力學(xué)為理論工具，給出了含裂紋體的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，并據(jù)此確定出決定裂紋擴(kuò)展的物理量――斷裂韌度，并給出了全新的強(qiáng)度設(shè)計(jì)觀念，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定出材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力（即斷裂韌度KC、GC），從而建立新的強(qiáng)度準(zhǔn)則――斷裂判據(jù)，如針對(duì)材料脆性斷裂的準(zhǔn)則： K準(zhǔn)則：K＝KC G準(zhǔn)則：G＝GC 材料力學(xué)方法是一種直觀、經(jīng)驗(yàn)的處理方法，表述簡(jiǎn)單，易于應(yīng)用，但忽視了材料固有缺陷的影響。斷裂力學(xué)則是對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)概念的不足和不合理提供了補(bǔ)償，并因此對(duì)整個(gè)材料制造業(yè)帶來(lái)具有重要指導(dǎo)意義的影響，如界面弱化的增韌機(jī)制即為斷裂力學(xué)原理在人工復(fù)合材料設(shè)計(jì)中得到很好應(yīng)用的一個(gè)范例［5］。 1.3 木材斷裂力學(xué)及研究進(jìn)展 1.3.1 對(duì)木質(zhì)材料強(qiáng)度的預(yù)測(cè) 將斷裂力學(xué)原理應(yīng)用于木質(zhì)材料中，始于Porter的首篇論文“On the me-chanics of fracture in wood”［6］，Porter基于能量平衡，將線彈性斷裂力學(xué)理論成功地應(yīng)用于美國(guó)西部白松在LT和LR平面的張開(kāi)型斷裂。該研究提出了一種確定木材斷裂參數(shù)（應(yīng)變能釋放率）的方法，研究表明，開(kāi)裂過(guò)程中的應(yīng)變能釋放率GⅠC是獨(dú)立于試件幾何尺寸和裂紋長(zhǎng)度的，GⅠC也代表著材料對(duì)于順紋理裂紋擴(kuò)展的阻力，通過(guò)對(duì)GⅠC的了解可以提供對(duì)應(yīng)力和裂紋長(zhǎng)度綜合值的預(yù)測(cè)，該值將導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展并導(dǎo)致最終斷裂。繼此篇研究論文之后，各國(guó)木材科學(xué)研究人員在這方面做了大量的工作，提出了各種木材斷裂模式以及斷裂韌性的測(cè)試方法和各種斷裂判據(jù)，并應(yīng)用斷裂力學(xué)原理在解決木材及木結(jié)構(gòu)的一些實(shí)際問(wèn)題上取得了初步結(jié)果。 截至目前，用于木質(zhì)材料的宏觀斷裂準(zhǔn)則大致可分為兩類：一類是具有熱力學(xué)意義、基于沉入裂紋尖端過(guò)程區(qū)能量的準(zhǔn)則，如能量釋放率G準(zhǔn)則［7，8］；另一類是具有力學(xué)意義、基于裂尖過(guò)程區(qū)范圍強(qiáng)度的準(zhǔn)則，如應(yīng)力強(qiáng)度因子K準(zhǔn)則［9，10］。但由于木材具有許多不同于其他正交異性材料的明顯特點(diǎn)，從而也給應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)帶來(lái)了困難，從木材的組成與構(gòu)造來(lái)看，其三個(gè)主方向間的高度異性是主要問(wèn)題［11］。各向異性情況的復(fù)雜性在于裂紋并不一定沿其初始方向以平面的形式擴(kuò)展，由于在處理與主方向成一定夾角的裂紋時(shí)所存在的數(shù)學(xué)困難太大，所以到目前為止，關(guān)于木質(zhì)材料的斷裂問(wèn)題，大多數(shù)都是討論裂紋以自相似擴(kuò)展時(shí)的情況。 木材斷裂性質(zhì)的早期研究主要集中在TL、RL型裂紋體上，這是因?yàn)槟静脑跇?shù)木生長(zhǎng)過(guò)程中和加工過(guò)程中形成的裂紋和缺陷大都在纖維方向上，而木材又在沿纖維方向上抵抗裂紋擴(kuò)展的阻力最小。線彈性斷裂力學(xué)原理用于裂紋沿木材順紋擴(kuò)展的斷裂問(wèn)題是成功的，并已取得了大量的研究成果。而近幾年的研究工作則集中在TR、RT裂紋體的擴(kuò)展模式和木材的界面機(jī)制上（后者是與LR、LT裂紋體有關(guān)）。木材在剛度和強(qiáng)度方面展示了強(qiáng)烈的各向異性性質(zhì)，由外部施加的載荷或由周圍環(huán)境條件（如濕度和溫度）瞬變而引起的張力，對(duì)在垂直纖維方向是非常不利的，實(shí)驗(yàn)中的TR裂紋擴(kuò)展與木材的徑裂、RT裂紋擴(kuò)展與木材的輪裂非常相似，所以，在木材中沿紋理面上由張力而形成并擴(kuò)展的裂紋，自然一直是木材斷裂力學(xué)研究領(lǐng)域中活躍的課題。 Wu最早將正交各向異性模型應(yīng)用于木材之上［12，13］，并應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)（LEMF）預(yù)測(cè)了含裂紋木材橫紋抗拉強(qiáng)度和順紋抗剪強(qiáng)度，同時(shí)還提出了一個(gè)在混合應(yīng)力模式下的預(yù)測(cè)破壞的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀４撕?，各?guó)學(xué)者如Mindness等［14］、Barrett和Foschi［15］、Schnewind［16］、Smith和Penny［17］、White和Green［18］應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)在預(yù)測(cè)木材強(qiáng)度方面做了大量的工作。Triboulot和Pluvinage［19］在1984年進(jìn)一步應(yīng)用有限元法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，證實(shí)將木材假定為正交各向異性體和彈性體以及將斷裂力學(xué)的概念用于木材中是可行的。 木材由于樹(shù)節(jié)、切口、裂縫或其他不連續(xù)性引起應(yīng)力集中，斷裂力學(xué)可以對(duì)其起裂進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)。例如，對(duì)于包含樹(shù)節(jié)的板材強(qiáng)度，Boatright和Garrentt用“等量裂紋長(zhǎng)度Le”代替樹(shù)節(jié)［20］，Le表示與含樹(shù)節(jié)試樣發(fā)生初始開(kāi)裂相同的應(yīng)力水平的無(wú)疵試樣產(chǎn)生斷裂的裂紋長(zhǎng)度，但此方法僅適用于順紋拉伸荷載。 Murphy應(yīng)用斷裂力學(xué)原理對(duì)含有樹(shù)節(jié)、切口、邊裂或端裂的板材的抗彎強(qiáng)度進(jìn)行估算，即使在順紋應(yīng)力狀態(tài)下，裂紋沿與切口垂直的方向擴(kuò)展，斷裂力學(xué)依然能夠預(yù)測(cè)帶切口試件的強(qiáng)度［21］。1976年，F(xiàn)oschi和Barrett［22］在研究不同斷裂長(zhǎng)度對(duì)木梁抗彎強(qiáng)度的影響時(shí)，得到不影響短期強(qiáng)度的最大允許斷裂長(zhǎng)度，此項(xiàng)研究成果被加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)在《木材工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》中采用［23］。 應(yīng)用斷裂力學(xué)對(duì)于木材及木質(zhì)構(gòu)件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和安全預(yù)測(cè)，目前有許多研究工作在深入開(kāi)展。法國(guó)木材科學(xué)研究所應(yīng)用斷裂力學(xué)原理與方法，預(yù)測(cè)因生長(zhǎng)應(yīng)力的積累與釋放而使木材開(kāi)裂的方向和開(kāi)裂深度，是在研究思路上的全新探索和突破。近幾年木材斷裂破壞的研究正通過(guò)和微觀相結(jié)合來(lái)探索木材的強(qiáng)韌機(jī)制。 例如，Stefanie和Stanzl［24］在2006年通過(guò)置于環(huán)境掃描電子顯微鏡的斷裂試驗(yàn)，研究了承載木材的微結(jié)構(gòu)演化和斷裂力學(xué)響應(yīng)，同時(shí)還分析了Ⅰ型裂紋啟裂時(shí)的斷裂韌性KⅠC和相應(yīng)的斷裂能量GⅠ的關(guān)系，以及KⅠC和GⅠ相對(duì)應(yīng)不同木材種類（硬木和軟木材）、取向和密度、濕度間的關(guān)系。 1.3.2 斷裂力學(xué)結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)在分析木材裂紋擴(kuò)展機(jī)制上的應(yīng)用 美國(guó)的Porter教授首先在1964年將聲發(fā)射（acoustic emission，AE）技術(shù)應(yīng)用在木材斷裂研究［6］，并在1972年由Knuffel提出了木材斷裂可以分為三個(gè)階段：?jiǎn)⒘?、生長(zhǎng)和最終破壞，根據(jù)他們的觀點(diǎn)，把破壞看作非單一的事件，而是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，并且每一個(gè)階段聲發(fā)射呈現(xiàn)不同的特征［25］。以后有人利用聲音在木材中傳播的特點(diǎn)和用聲發(fā)射預(yù)測(cè)木材的彈性模量。1982年Ansell研究三種軟材的拉伸性質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)AE應(yīng)變曲線的形狀受早晚材率的影響［26］。1984年Sato和Fushitani也研究了在拉伸實(shí)驗(yàn)中的AE行為發(fā)現(xiàn)AE總數(shù)與強(qiáng)度有負(fù)相關(guān)系，并區(qū)別了同微裂紋穿過(guò)年輪擴(kuò)展有關(guān)的慢速AE和同宏觀裂紋穿過(guò)年輪擴(kuò)展有關(guān)的快速AE［27］。Ogino等于1986年試圖建立AE與開(kāi)裂的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)AE能（由振幅峰值的平方計(jì)算得到）在第一個(gè)微裂紋發(fā)生后不久即迅速增加，通過(guò)頻譜分析表明在開(kāi)裂之前會(huì)出現(xiàn)高頻分量，一旦開(kāi)裂，頻率就會(huì)減低，而低的頻率僅出現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)裂之后，發(fā)自木材干燥的AE信號(hào)的頻譜可以分為四種模式，可以通過(guò)觀察，如果其中的兩種模型出現(xiàn)，則可以作為開(kāi)裂的預(yù)警信號(hào)［28］。1987年Su-zuki和Schniewind研究了斷裂韌性和用不同黏結(jié)劑的木質(zhì)材料的聲發(fā)射［29］，發(fā)現(xiàn)斷裂韌性與單位裂紋區(qū)域上的AE總數(shù)之間存在線性關(guān)系。1990年Rice和Skarr研究了在橫向力彎曲下的紅櫸板材的聲發(fā)射，發(fā)現(xiàn)生材與干材兩者是有差別的［30］。1992年Niemz和Luhmann研究了聲發(fā)射在不同的負(fù)荷下和不同木材的關(guān)系，他們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)AE參數(shù)與材料強(qiáng)度之間的關(guān)系并給出AE測(cè)量值具有很高分散性的報(bào)告［31］。同年Ando等采用單邊裂紋試樣研究了斷裂韌性與聲發(fā)射之間的關(guān)系，并指出紋理角度的影響［32］。1996年Schniewind等記錄了木材在不同含水率和溫度時(shí)Ⅰ型與混合型斷裂試驗(yàn)中的AE信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在混合型試驗(yàn)中AE活動(dòng)特別頻繁，而且還應(yīng)用聚類分析發(fā)現(xiàn)了AE性質(zhì)與木材斷裂僅存在很小的相互關(guān)系，但又發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)木材極大荷載的載荷下的聲發(fā)射與在很低的載荷下的聲發(fā)射有明顯的不同［33］。1998年Aicher和Dill-langer將AE用于定位在垂直纖維受拉伸中膠合板的裂紋源［34］。2000年Reiteres等結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)裝置對(duì)三種硬材、兩種軟材的Ⅰ型斷裂過(guò)程進(jìn)行了研究，所用試樣為RL裂紋擴(kuò)展系統(tǒng)試樣。 發(fā)現(xiàn)槽口拉伸強(qiáng)度與密度相關(guān)，斷裂比能和特征長(zhǎng)度則顯示在軟材和硬材之間存在差別，軟材多以延性方式斷裂，硬材多以線彈性方式斷裂，這一特征得到AE測(cè)試結(jié)果的支持，硬材AE總數(shù)很少表明硬材較少有微裂紋形成，并且“纖維橋連”（fiber bridgig）的影響也不大，從而解釋硬材具有更多的脆性性質(zhì)［35］。Ando等基于聲學(xué)發(fā)射特征和斷裂表面分析，研究了新舊木材在剪切斷裂過(guò)程中微觀行為，發(fā)現(xiàn)在低負(fù)荷時(shí)發(fā)生的AE積累數(shù)在舊木材中比在新木材中多，根據(jù)聲學(xué)發(fā)射振幅分布分析，發(fā)現(xiàn)舊木材在承載過(guò)程中比新木材更易發(fā)生小振幅AE信號(hào)［36］。 1.3.3 國(guó)內(nèi)在木材斷裂力學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展 我國(guó)對(duì)木材斷裂力學(xué)性質(zhì)的研究開(kāi)始較晚。鹿振友教授在1988年發(fā)表了國(guó)內(nèi)首篇介紹國(guó)外在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展的綜述文章［37］，5年后范文英和徐虹［38］在實(shí)驗(yàn)室采用單邊切口的三點(diǎn)彎曲試件對(duì)杉木橫紋斷裂韌性KTLⅠC做了測(cè)試，同時(shí)也探討了試件厚度的影響。1999年孫艷玲和鹿振友應(yīng)用有限元計(jì)算了水曲柳Ⅰ型斷裂時(shí)裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)及應(yīng)力強(qiáng)度因子［39］，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，繪制出裂紋尖端附近的應(yīng)力強(qiáng)度因子分布圖。江澤慧和胡一貫在2000年運(yùn)用同步輻射光源，對(duì)杉木和馬尾松徑、弦向切片在拉應(yīng)力作用下的破壞過(guò)程進(jìn)行了觀察［40］，發(fā)現(xiàn)木射線和紋孔對(duì)裂紋擴(kuò)展起阻礙和終止作用。2001年，任海青和江澤慧［41］應(yīng)用線彈性斷裂力學(xué)理論測(cè)試了人工林杉木、馬尾松的斷裂韌性，并使用掃描電子顯微鏡觀察了杉木、馬尾松橫紋拉應(yīng)力、順紋拉應(yīng)力及沖擊載荷作用下的破壞表面，認(rèn)為木材的微觀構(gòu)造影響其斷裂過(guò)程。王麗宇和鹿振友在2002年以白樺為研究對(duì)象，利用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)對(duì)白樺Ⅰ型裂紋的演化、增長(zhǎng)的力學(xué)行為作了實(shí)驗(yàn)研究，記錄了裂紋尖端局域場(chǎng)形變信息的散斑圖像［42］，通過(guò)對(duì)位移場(chǎng)分布圖的分析表明，裂紋尖端附近有較大變形，應(yīng)力集中明顯。費(fèi)本華和張東升在2003年運(yùn)用數(shù)盒子法對(duì)裂紋發(fā)育帶在二維平面內(nèi)的分布進(jìn)行了分形特征研究［43］，表明木材裂紋的分形維數(shù)在1.2～1.5，并認(rèn)為裂紋的分形維數(shù)隨著裂紋的擴(kuò)展呈增加的趨勢(shì)。此后費(fèi)本華又以不同手段測(cè)量了木材橫斷破壞斷口的分維數(shù)［44，45］。 作者也在近幾年中較系統(tǒng)地研究了木材斷裂力學(xué)行為，并就線彈性斷裂力學(xué)原理應(yīng)用于木材斷裂的特殊性［11］、實(shí)驗(yàn)方法［46，47］、木材橫紋理斷裂強(qiáng)度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和強(qiáng)韌性機(jī)制［48］、木材中不同方位裂紋的裂尖應(yīng)力場(chǎng)和開(kāi)裂方向預(yù)測(cè)［49］、木材細(xì)觀損傷基本構(gòu)元的界定［50］，以及揭示木材抗順紋理斷裂性能與木材細(xì)觀構(gòu)造的內(nèi)在聯(lián)系等［51］方面均有著獨(dú)立的見(jiàn)解。但從總體而言，由于國(guó)內(nèi)在木材斷裂力學(xué)領(lǐng)域里的研究起步晚，研究的范圍和深度還不及國(guó)外廣泛深入。

圖書(shū)封面

圖書(shū)標(biāo)簽Tags

無(wú)

評(píng)論、評(píng)分、閱讀與下載

---

    植物材料 PDF格式下載

---