动态测试木材弹性模量研究进展

麦彤宇， 梁 硕， 王 正*， 马旭刚， 宋 懿， 张一凡， 黄俣劼

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京210037；2.南京林业大学经济管理学院，江苏 南京210037)

1 研究背景

木材是重要的工程材料，天然环保且具有可再生的性质，被广泛运用于建筑、家具、电子机械、室内装修等行业。弹性模量是木材特性的基本参数之一，目前国内外对于木材弹性模量的测试主要分为两种方法：静态弯曲法和动态测量法。传统静态方法对木材具有破坏性，并且测量过程繁琐，而动态法操作简便，不破坏木材的使用性能，已成为木材弹性模量检测的主要方法和研究方向。准确、高效地测量出木材的弹性模量对于提升木材加工工业水平起着至关重要的作用。

2 国内研究进展

我国从20世纪80年代初开始对木材进行无损检测技术的应用研究，到了80年代中后期才开始用NDT法检测木材弹性模量。我国对弹性模量的研究起步较晚，还没有形成一套完整的体系，但也在逐步发展。

对于超声波法，戴澄月等对兴安落叶松、水曲柳、红松和紫椴4种干材，采用超声波脉冲首波等幅法测定了横纹方向和顺纹方向的超声波速度，同时也得到了这两个方向的弹性模量，并且他们通过回归法分析木材顺纹抗弯强度及抗压强度和这两种参数之间的联系[1]；赵学增等开发了一种快速检测法，它能快速测定木材的剪切弹性模量和抗弯弹性模量。这种方法是依据FFT分析技术、Timoshenko挠性振动理论及微机技术提出的[2]；李华等采用北京康科瑞公司NM-4A非金属超声波检测仪，测定了北京大钟寺博物馆永乐大钟大型木结构架的弹性模量，并对其力学强度的变化做出了评估[3]；超声波检测法的优势在于，不同的超声波可以检验材料的不同性质，也可以用于评价木材。此方法可以提供直观大量的信息，直接显示材料内部的情况，可靠性高，但超声波检测器有最小壁厚的限制，若材料厚度小于一定值将无法检测到信号，对于测量某些特定材料将有一定的限制。

20世纪80年代以来，国内应用无损检测的应力波法和动态振动法测试成材的弹性模量[4-8]。

关于应力波法，1995年，王志同等研究应力波法检测中密度纤维板弹性模量，研究结果表明这种方法不但测试精度较高，而且可以进行自动控制。此外，它还能实现在线检测[9]。

在振动法方面，胡英成等运用振动法对两种不同板材(胶合板和刨花板)的抗弯弹性模量进行测试。他们分别采用纵波共振法、弯曲振动法和纵波传播法对两种板材进行振动试验，并对比分析了3种方法的实验结果[10-11]。张厚江等为了对木质材料进行研究，运用振动法获得其弹性模量。结果表明：要获得木板的固有频率值，横向振动方式是一种更为有效的方法。同时，振动法测得的弹性模量比静弹性模量值稍大。同年，加拿大国家林产品研究院和中国林业科学研究院木材工业研究所均认为横向振动法能预测木质材料的力学性能，为此他们共同探讨了此方法用于预测大尺寸构件抗弯弹性的可行性[12]。2006年，池德汝等利用振动无损检测法测得纤维板的动态弹性模量，并用一元和二元回归方法分析了纤维板的密度、静态弹性模量、动态弹性模量、静曲强度之间的相关性[13]。

总体上说，国内研究所用的方法主要是超声波法和应力波法和横向振动法。应力波法测试的弹性模量值能够很好地验证横向振动法测试结果的准确性，二者互相结合操作简易，数据精准。国内对木材动态弹性模量测量的研究比国外少，木材无损检测技术研究起步较晚，且研究的对象几乎都是力学检测国家标准所规定尺寸的试件，大多是针对小尺寸试件研究，而对于市场上流通的大尺寸木材的动态弹性模量很少进行相关的研究。笔者认为，国内静态测试技术以目前的实验数据分析，可行性较高，随着科技不断地发展，研究进展不断地前进，未来将会推广到全部尺寸材料的测试。

而早在20世纪50年代，国外学者就开始采用动态方法来研究木材的动态弹性模量，迄今，国外关于木板、锯材及原木的弹性模量与力学性能无损检测技术研究较多，而针对胶合木构件及桥梁、建筑结构等弹模与力学性能的无损检测技术研究相对较少。

3 国外研究进展

1961年，日本京都大学农学部的梶田茂等[14]研究了动态杨氏模量和含水率之间的关系，他使用反射式光弹性测定器对干燥程度不同的木材进行弹性方面的测试研究。实验结果表明，在含水率为4%～5% 左右时，纤维方向的动态杨氏模量值最大，半径方向的动态杨氏模量不是最大值。为了进一步探究动态杨氏模量，1965年，京都大学农学部的铃木正治等研究了木材的动态杨氏模量的频率依存性以及与蠕变的关系。在此基础上，20世纪70年代，Pellerin和Logan研发制造了木材横向振动弹性模量计算机，由于其测量的准确性而得到了美国木材企业及科研单位的广泛应用。弹性模量计算机的研发对弯曲振动和扭曲振动的信号的采集起到重要作用。1988年，日本农学博士Sobue[15]用发泡塑料小片弹性支撑木材试件的中央，通过打击试件一角来激发起弯曲和扭转的复合振动，由放置在试件另一端的一对微音器检测振动，计算机处理采集到的2个信号，并从复合信号取出弯曲振动和扭曲振动的信号，将信号输入FFT分析仪，即可求得瞬时的共振频率值，同时确定动弹性模量E和剪切弹性模量G。

为了测得木芯的三个弹性常数，1984年，法国国家木材质量研究站的V.Bucur[16]从山毛榉木材上选取5 mm直径的木芯，用超声波简单地测量其弹性常数，并且将测试结果与静力弯曲和横向超声波的标准试件作比较，对实验结果的有效性进行了评估。分析证明了木芯与标准试件的弹性常数有很好的相关性，可以快速地检测活体树木个体特征的差异。

到了20世纪90年代，NDT技术随着计算机技术的发展而不断进步。日本学者小玉泰义[17]对日本柳杉和扁柏原木进行了用声速来推测杨氏模量的研究。根据在一定距离上安装的2个加速度传感器的信号到达时间差求出弹性波传播速度。另外，由这些试件的边材和心材部分锯制方材，用同样方法测定方材弹性波传播速度并获得其与静态弯曲杨氏模量的相关性，进一步研究了干燥对音速变化的影响。1991年，日本的祖夫江信夫开发了用微机和A/D板的弹性模量自动测试系统。该系统由16位的个人计算机、可装入微型计算机内的高速8通道模拟数学变换微型组件的A/D转换器、接口内置的电子天平、振动传感器和前置放大器组成。实验方法是打击试件端面引起纵向共振，用传声器和加速度传感器检测振动，借助前置放大器将振动波形增幅后输入A/D转换器中，由电子天平称出试件质量，根据试件尺寸、质量、固有频率，依据纵向振动理论计算出弹性模量。为了进一步研究商业刨花板的力学特性，2005年V.Bucur[18]选用超声波速度法，在正交各向异性的假设中进行了弹性常数的计算，使用纵向波和剪切波对试件9个方面所有刚度矩阵进行了计算，然后用计算好的刚度矩阵得出相对应的弹性模量技术参数。2006年，美国H indm an等[19]采用非标准的5点弯曲法测得的锯材弹性常数结果与使用ASTM D 198测试标准所得的结果进行比较，发现测试结果误差均在10% 以内，说明5点弯曲法也是一个能准确且简单测出木材弹性常数的方法，其实验试件是以南方黄松和鹅掌楸为原材料。为进一步研究不同树种的弹性模量，2013年，美国坎皮纳斯州立大学农业工程学院的Raquel Gonçalves[20]以柳桉，Apuleialeiocarpa和Goupiaglabra三种作为实验树种，将他们分别加工成圆盘、多面体和棱柱体三种几何形状，使用超声波技术测得弹性模量，其结果与静态测量值相当，但是结果取决于样品的类型和几何形状，即多面体的几何形状表现出最佳的结果，而棱柱形的结果最不合适。2014年，西班牙马德里理工大学的森林工程师José R.Aira等[21]通过用应变计测量表面变形的方法，对20 mm×60 mm×20 mm 棱柱形的欧洲赤松和对16 mm×16 mm×48 mm 的欧洲赤松的径向和切向试件进行弹性常数测试，认为这种方法可以测定弹性模量(纵向和横向)，但得到的平均值比软木大。

国外的研究与国内相比，采用了更加先进的分析仪器，并且更加详细地对不同树种、不同材料的木材进行了研究并得出了合理有效的数据结论。我们应该充分学习并汲取国外优秀的研究经验，补充国内研究进展的不足，希望在未来的不断实验研究中，可以将动态检测材料力学性质的精度、准确度、广泛推广度都得到提升，使木材能够得到更充分高效的利用。

4 结论与展望

国内木材弹性模量无损检测的研究成果主要有超声波法、应力波法、振动法等。国外的研究成果主要有干燥性对弹性模量的影响、木芯与标准试件弹性常数的相关性的证明、干燥对音速变化的影响、五点弯曲法测量弹性模量等。国内动态测试的技术虽起步较晚，但也取得了一定的进展，并一直在不断进步。截至目前国内外大量的实验已经验证了动态测试弹性模量的可行性，由实验数据得出，动态测试法不仅操作更简单易行，应用更灵活广泛，而且测试精度与传统静态测试法相比并无差入，测试精度还较高，并且可以进行自动控制。通过实验仪器与计算机相结合的方式，能够更加精准且直观地分析数据。随着动态测试法的逐步发展，未来动态测试法将会成为材料力学性能测试的主流方法。