木材拉压一体蠕变自动监测系统的研发

王杰，张梓建，万辉，邓书端，董春雷

(西南林业大学材料科学与工程学院，昆明 650224)

木材为多孔且易吸湿的黏弹性材料，在持续受外力和外界环境温湿度作用下会发生明显的蠕变变形而可能影响其使用性能或危及结构安全[1]。因此，木材蠕变性能的研究和评价一直是木材学术界和产业界关注的热点[2-3]。目前有关木材蠕变的研究主要集中于静曲受力状态下木材的弯曲蠕变[4-7]，但采用单一弯曲蠕变来研究木材的整体蠕变性能将面临2个无法回避的问题。首先，从静曲受力角度，木材的弯曲蠕变实际上是木材横截面上部压缩蠕变和下部拉伸蠕变的耦合[3]，而木材各向异性的特殊材性导致其拉伸、压缩和静曲受力状态下力学性能之间存在较大的差异，例如大部分木材的拉伸弹性模量是弯曲弹性模量的1.1～1.2倍，是压缩弹性模量的1.1倍左右[8]；其次，由于水分对各受力方向上木材物理力学性能影响程度的不一致性，导致其在受环境温湿度影响时各受力方向上木材的湿胀干缩和力学性能的变化程度均存在较大的差异。可见，受力方向的不同会导致木材蠕变性能的差异，而采用单一弯曲蠕变来研究木材的蠕变性能可能会掩盖其他受力状态下，如纯拉伸和纯压缩受力状态下木材特殊的蠕变规律和各受力方向上蠕变之间的耦合关系。因此，用单一弯曲蠕变性能来研究木材蠕变是不全面的，还需要对拉伸或压缩受力状态下木材的蠕变性能进行研究。

目前，可控变温变湿环境下木材纯拉伸或纯压缩蠕变性能的研究，特别是与之相匹配的测试装备的研究还鲜有报道。首先，从试验环境可控方面来看，因受到环境温湿度控制系统、方式和测试装备的限制，木材拉伸、压缩蠕变的研究多集中于室内或室外自然条件下的研究，鲜有对温度、湿度及其变化以及蠕变变形量同时高精度可控的专用测试设备的报道[9]；其次，从测试手段和方法来看，有尝试借助研究高分子材料流变性能的动态流变仪(dynamic mechanical analysis，DMA)来测试木材在高温条件下的蠕变性能。但由于这一设备要求样品为粉末状，而这在本质上已改变了能作为建材的木材基本结构和属性，因而不能用作具有建材属性的木材蠕变性能的研究和测试。加之这类设备昂贵且测试目标和方法单一，测试结果离散性也较大[10-11]。此外，也有尝试采用力学试验机和高精度应变测量装置相结合的方法研究材料拉压蠕变性能的，但由于力控制方式和木材蠕变特性的双重限制，无论是液压式还是机械丝杆式力学试验机的加载力均会受木材反向抵抗力变化的影响，而实际上呈现的是波浪状力加载，无法保持加载力的恒定[12-14]。因此，这类研究也不是严格意义上的恒定荷载下材料的拉压蠕变研究。

针对这一情况，笔者所在课题组研发了一套木材拉伸及压缩一体化蠕变自动测试和监控软硬件系统，旨在为可控温湿度条件下木材的拉伸和压缩蠕变相关研究提供高精度测试平台。

1 木材拉伸及压缩蠕变的测试要求

1.1 木材蠕变测试装备的技术要求

木材的蠕变是指在恒定的外载荷作用下其变形随时间的推移而缓慢增加的一种现象，根据蠕变表现特征的不同，学术界又将外界温湿度恒定和变化两种情况下发生的木材蠕变分别定义为普通蠕变和机械吸附蠕变[15-16]。因此，由蠕变发生的外在条件和内在机理不难看出，木材蠕变测试装备至少应满足以下3个方面的基本要求。

1)施载的持续恒定性和可变性。有持续且恒定不变外载荷的加载是保证木材持续发生蠕变的先决条件之一，所以木材蠕变测试装备首先应具有可对木材试件施加持续恒定荷载的加载单元。但为了研究加载水平对木材蠕变的影响，往往又需要加载单元同时具备可对载荷大小进行调整的功能。

2)蠕变变形测试的高精度、稳定性和可持续性。木材的蠕变量特别是在小载荷作用下或蠕变稳定阶段的蠕变量一般较小，需要蠕变测试装置具备较高的测试精度，其中试件变形测试精度和分辨率均不低于0.01 mm。同时，木材的蠕变测试又是一项耗时普遍较长的试验，少则几周，多则数年之久，因此需要蠕变测试装置具备长时间稳定可靠记录木材蠕变信息的功能和相应的硬件单元。

3)蠕变测试环境温湿度的可控性。木材在变温变湿环境下才会发生机械吸附蠕变，因此蠕变测试装置需具备对包含木材蠕变测试试件在内的整个测试环境温度和相对湿度可自由调节的功能，以满足机械吸附蠕变不同研究目的的差异性要求。

此外，为实时跟踪和了解木材蠕变规律以及防止木材蠕变测试发生意外(如提前破坏和断电等)，木材蠕变测试装备还应具备蠕变的实时存储、实时显示功能(绘图功能)以及意外发生后的系统保护功能等。由于木材各向异性的特殊材性，其拉伸和压缩蠕变测试往往需要较常规蠕变测试大数倍的加载力，因此还需额外考虑由于加载力的大幅增加导致的整套蠕变测试装置各功能单元的适应性设计。

1.2 木材拉压蠕变测试对试件的要求

木材独特的解剖构造使其在顺纹拉伸力学性能测试时呈现出加载力非常大而变形量却非常小的典型特点，因此木材的顺纹拉伸强度和模量也是木材所有力学性能中最大的。为适应木材的这一特性，我国标准GB/T 1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》和美国标准ASTM D143-14 “Standard test methods for small clear specimens of timber”均规定采用哑铃状的木材试件(如图1a所示)来获得木材的顺纹拉伸力学性能，其目的是确保采用常规的万能力学试验机就能使木材在标距段内产生纯拉伸变形或破坏。本研究首先通过前期大量的市场调研和选型，选取了温湿度均能高精度控制的德国产Binder MKF720环境气候箱(温度精度±0.1 ℃、相对湿度精度±2%)作为木材拉压蠕变测试的环境调节装备，而后依据拉伸及压缩力学性能测试原理和环境气候箱承载要求对检测装置和连接装置进行设计，最后再进行拉伸及压缩测试试件的设计。考虑到需要将检测装置和木材试件置于气候箱内，试件的拉伸或压缩外载荷、检测装置质量和连接装置质量必须要满足箱体承重方式和承重上限的要求。由该设备的最大承载空间及承载能力除去检测装置和连接装置后的剩余承载空间和承载能力，结合我国常用结构材的顺纹拉伸强度值换算出木材纯拉伸段的最大截面尺寸不应超过4 mm(厚)×8 mm(宽)，由GB/T 1938—2009和ASTM D143-14的力学测试原理可换算出木材顺纹拉伸试件的标距段不应小于50 mm。之后，通过反复试验验证确定木材顺纹拉伸试件的两个夹持端木材的尺寸为50 mm(长)×20 mm(厚)×40 mm(宽)，夹持端与标距段过渡段圆弧半径为254和172 mm较为适宜。

同理，依据木材顺纹压缩力学性能测试原理、已选型气候箱承载要求、检测装置和连接装置质量、ASTM D143-14的测试原理及要求，可换算出木材压缩蠕变测试试件的外形尺寸为80 mm(长)×10 mm(厚)×10 mm(宽)较合理。

图1 蠕变测试拉伸试件尺寸Fig. 1 Dimensions of creep test tensile specimen

2 各分系统的设计原理和实现方法

本次研发的木材拉压一体蠕变自动监测系统实物图如图2所示，该系统的主要软硬件参数和整套系统的性能参数如表1所示。

1.上底座；2.滑轮2；3.支撑杆；4.滑轮3；5.滑轨1；6.滑轮2；7.滑块1； 8.滑块2；9.荷载；10.LVDT(线性位移传感器)；11.压盘；12.连接螺栓； 13.滑块3；14.下底座；15.环境气候箱；16.机架；17.压缩装置； 18.拉伸装置；19.数据终端；20.A/D转换器；21.夹头。图2 监测系统Fig. 2 Monitoring system

表1 软硬件参数Table 1 Hardware and software parameters

表1(续)

2.1 硬件系统

2.1.1 蠕变测试环境系统

木材拉伸或压缩蠕变测试也需要在大范围可调温调湿的环境条件下进行，目前能满足这一严苛测试环境要求且成本低廉的方案是集成现有市售成型的环境气候箱作为蠕变测试环境系统。本次研究基于对木材拉压蠕变试验环境参数精度的要求、容量、承载力、与检测装置的结构兼容性和可装配性等考虑，最终选用了德国Binder MKF720环境气候箱，该设备能满足EN460-1994“Durability of wood and wood-based products-Natural durability of solid wood-Guide to the durability requirements for wood to be used in hazard classes”规定的木制材料耐久性和稳定性测试试验的所有要求。

2.1.2 框架和受力导向系统

框架和受力导向系统起到使木材产生纯拉伸和纯压缩受力的作用，由底座、支撑杆、导轨(导向单元)、滑块(运动单元)组成，如图3所示。综合分析以上机械单元的配合度和兼容性问题，研究结构微小型化、紧凑化和轻量化。将底座分为上下两部分，由铝合金加工而成。使用铝合金的原因一方面是为了减小装置的质量以适应环境气候箱的承载能力，另一方面是铝合金强重比高且易加工成型。底座开孔，固定在支撑杆和导轨两端，形成一个稳定的支撑框架，支撑其他构件。支撑杆主要起支撑承力的作用，由铝合金加工而成。导轨主要起限制滑块运动方向的作用，限制滑块沿导轨做直线往复运动，此外也有支撑作用，由钢柱车削加工而成，刚度大、抗压能力强，可减小使用过程中的形变量，从而减小因此带来的误差。导轨表面镀铬，其粗糙度仅为0.05～0.1 μm，同轴度为0.002 mm，使滑块运动方向及加载应力方向能始终保持在一条直线上，极大减小了滑块与导轨间的摩擦力。导轨上的滑块主要作用是对加载应力的传递，加载应力经滑块的传递作用于试件，通过改变滑块间的连接组合方式可以改变应力传递的方向，以此来实现拉伸和压缩模式的切换。滑块由铝合金加工而成，选用该材料同样是出于减轻装置质量的考虑，滑块于导轨接触部位加装滑动轴承，这样既能减小滑块与导轨间的滑动摩擦，又能保障其运动方向的直线度。滑块和载荷通过滑轮产生联系，滑轮改变了加载力的方向并将加载力成倍放大，经由滑块传递最终作用于试件。而试件则由夹具夹装后固定在滑块上，拉伸压缩测试所用夹具不同。所有机械单元间采用软连接方式进行连接，便于装卸和零部件的更换。

1.上底座；2.滑轮组；3.导轨；4.支撑杆；5.滑块1；6.滑块2； 7.拉伸夹具；8.配重块；9.压缩夹具；10.滑块3；11.下底座。图3 拉伸装置和压缩装置机械结构单元Fig. 3 Mechanical structure units of tensile device and compressive device

2.1.3 加载系统

加载系统由载荷和滑轮组组成，如图4所示。载荷由不同型号的高密度钢板配重块组成，不同型号质量不一，可依据试验加载要求进行组合，载荷分辨率可控制到1 g。为防止试件蠕变断裂破坏，载荷正下方必须放置硬海绵或泡沫，且距离配重下表面不超过30 mm，最大限度避免由于试件破坏造成配重突然下落而导致的装置机械性或电子元器件的损坏。由于试件拉伸、压缩受力方向均沿木材纤维方向，试验所需施加的力极大，而力的大小由施加的载荷控制，使用滑轮组能极大缩减试验过程中的加载质量，从而减小整个装置的质量，以适应环境气候箱有限的承载力。

滑轮系统包括1个动滑轮(滑轮2)和2个定滑轮(滑轮1、3)，滑轮1和滑轮2均由3个单滑轮串联组成，滑轮3是单滑轮。滑轮1、3与装置的上底座连接，滑轮2作为动滑轮与滑块1连接，各滑轮通过直径为2 mm的高强度钢丝绳连接配合而产生作用，钢丝绳直径较小，与滑轮接触面极小，因而钢丝绳与滑轮摩擦而产生的误差可忽略不计。3×3滑轮组合等效放大载荷产生的拉力，其放大比例因绕绳方式的不同而不同，当绳子固定端与滑轮1连接时放大比例为1∶6，与滑轮2连接时为1∶7。单滑轮用于改变拉力的方向。滑轮与底座和滑块均采用插销进行连接，方便更换不同的滑轮组来满足不同试验及不同试件对加载应力的要求。

图4 加载系统Fig. 4 Loading system

2.1.4 拉伸和压缩蠕变测试的转换系统

为节省测试空间，通过改变运动单元的连接组合方式来进行拉伸模式和压缩模式的切换，如图3所示，进行拉伸蠕变试验时将滑块1和滑块2连接固定，滑块3和下底座连接固定，夹头和滑块2、3连接。进行压缩蠕变试验时将滑块1和滑块3连接固定，滑块2和下底座连接固定，同样将压头和滑块2、3连接即可。拉伸蠕变试验是将试件下端固定，将向上的拉力作用于试件上端，对试件进行拉伸；压缩蠕变试验则是将试件上端固定，将向上的拉力作用于试件下端，由下而上对试件进行压缩。由于拉伸和压缩蠕变试验试件尺寸不一样，其装载空间也不一样，在拉伸和压缩模式切换之前需先将LVDT调整至合适位置，而后调整滑块位置，方便试件装载，避免操作不当使滑块位置和LVDT位置产生冲突而损坏LVDT。

2.1.5 试件夹装系统及数据采集

1.张紧螺栓；2.夹头；3.拉伸试件；4.LVDT探头承接台1； 5.LVDT；6.LVDT支座；7.齿板限位；8.夹头齿板；9.压头； 10.LVDT探头承接台2；11.拉伸试件；12.限位孔。图5 拉伸与压缩试件夹装Fig. 5 Tensile and compressive specimen clamping

拉伸试件与压缩试件夹装方式不一致，如图5所示。拉伸试件夹装时，先将夹具齿板限位取下，而后分别将试件两端从夹具侧面置入，装上齿板限位，将预张紧螺栓拧紧，拧紧的螺栓推动齿板，其行程为40 mm。齿板呈楔形，其表面有2 mm的尖齿状突起，在与夹头凹槽的斜面配合下，齿板间间距缩小，齿板尖齿将嵌入拉伸试件夹装段，从而夹紧试件。在拉伸过程中，因具有斜面锁紧结构，夹头随试件拉伸越来越紧，有效减小了拉伸过程中因试件的滑移而产生的误差。将试件夹装在夹头上之后将夹头与滑块连接，连接固定后在试件标距段夹装LVDT探头承台。压缩试件夹装时，先将压头与滑块连接，而后将LVDT探头承台固定在试件上，其与试件两端应当分别留有15 mm的余量。试件端头易产生应力集中，标距段应尽量远离端头来减小测试结果的误差，最后把试件置于压头限位槽内。测试均采用2个LVDT对试件标距段进行间接测量，LVDT与试件平行且相对放置，其中向下放置的LVDT测量的是标距段下端的位移，向上放置的LVDT测量的是标距段上端的位移。拉伸蠕变量为2个LVDT数据算数和的绝对值，压缩蠕变量为2个LVDT数据的算术和，LVDT采用固定支座固定在滑轨上以避免试件滑移、装置形变等系统误差。

2.1.6 检测装置与环境系统的连接机架

Binder MKF720环境气候箱主要靠箱体两侧内壁承重，箱内底部因无支撑结构而无法承重。受限于环境气候箱提供的装配方式与承载要求，检测装置与环境气候箱的兼容使用需要连接机架作为媒介。连接机架由不锈钢制成，其加工精度为0.05 mm，检测装置通过连接扣件固定在机架横杆上，机架两侧的支撑架分别设置11根圆形钢条与箱体内壁两侧突起的楞条一一对应，钢条搁置于楞条之上，承载起整个检测装置。机架横向尺寸可调，将其往箱内装载时松开固定螺栓和机架撑杆的张紧螺母，将横向尺寸调整至最小，整体置入箱体后再次调整横向尺寸使支撑架与箱体内壁两侧贴合，随后拧紧机架撑杆张紧螺母，通过撑杆提供的横向支撑力使支撑架与箱体内壁紧贴。拧紧固定螺栓，机架便完全与箱体内部空间嵌合，形成一个稳固的机构，如图6所示。

1.支撑架；2.圆形钢条；3.机架撑杆；4.固定螺栓；5.机架横杆；6.腰孔； 7.支撑架连接端；8.空心钢柱；9.张紧螺母；10.螺杆；11.连接扣件。图6 机架Fig. 6 Rack

2.1.7 信号接收和转换系统

LVDT属电感式位移传感器，测得的位移变量以电信号形式输出。将信号接入数据处理终端前，需先将其转变为数字信号。系统采用模拟数字信号转换器(A/D转换器)来进行转换，A/D转换器由2个符合RS-485“Electrical characteristics of generators or recievers”标准的模拟输入采集模块和一块单片机组成，信号传输稳定。

2.2 软件系统

软件基于VB语言与查表算法进行开发，其运行逻辑简洁，即将输入的RS-485数字信号进行运算分析及整理，在后台数据库存储的同时进行实时动态显示，进而对试件在载荷作用下的变形进行可视化动态监测和控制。此外，系统为消除试验过程中无法避免的震动干扰对LVDT测量精度的影响，软件在降低维度优化的查表算法基础上新增若干采样点作为干扰校验点；通过分析干扰校验点的分布范围和一致性，判断检测系统采样数据的正确性，剔除由于干扰而出现差错的数据，保证了试验结果的准确性。

2.2.1 数据采集控制

数据采集的控制主要包括数据采集的起止与采集的间隔控制，通过控制数据采集起止点可有效避开未达试验设定要求时产生的数据，如试验载荷加载前的数据和试验环境未达到设定水平时产生的数据。数据采集间隔从1 s至24 h无极可调，可根据试验设置多个间隔水平来适应不同蠕变阶段对数据采集密度的要求。

2.2.2 实时数据存储、处理和显示

数据存储分为主动存储和自动存储2种方式。主动存储内容包括试件信息以及每个LVDT探头的实时数据，主动存储文件为csv格式，该格式文件为表格文件，便于后期数据处理分析。自动存储文件为试验源文件和备份文件，存储数据为试验的原始数据，为txt格式。在软件非正常关闭情况下，当需要继续进行关闭前的试验时，就在打开软件后选择打开该文件；若要中止试验获取试验数据，同样在打开软件后选择打开该文件，然后再主动存储为csv格式文件。LVDT实时测量数据在自动存储的同时进行运算，得到蠕变实时数据。软件以时间为横坐标、蠕变位移量为纵坐标，将LVDT的实时位移变化与试件各自的蠕变位移变化在显示界面进行显示，如图7所示。在显示界面可对显示曲线的显示像素、颜色及其横纵坐标进行调节，以达到对试验实时数据的精准监控。

图7 监测界面Fig. 7 Monitoring interface

3 系统运行效果检验

通过加拿大云杉木材的拉伸及压缩蠕变试验及其结果分析，对系统测量精度以及运行稳定性进行检验。将试样的长期蠕变负载水平设置为其极限强度值的30%；试样测试温度参考ASTM D143-14要求设置为20 ℃；测试湿度梯度节点参考环境气候箱的湿度极限值设置为32%，65%，98% 3个水平；分别进行顺纹拉伸蠕变测试和顺纹压缩蠕变测试，每组试验的样品数量为6条，蠕变试验结果取6条试件的平均值。2个试验的具体操作步骤如下。

1)对试件预先进行绝干处理，环境气候箱初始环境参数设定为温度20 ℃、相对湿度32%。

2)待箱内环境稳定后放入试件进行加载并开始蠕变测试，前5 h的数据采集间隔均设置为1 min，之后的采集间隔设置为10 min。

3)对于拉伸蠕变测试，试件先在温度20 ℃、相对湿度32%的环境气候箱中进行3.8 d的吸湿蠕变测试；随后将环境气候箱相对湿度调为65%，进行3 d吸湿状态下的蠕变测试；然后再将环境气候箱相对湿度调回32%，进行3 d解吸状态下的蠕变测试。同样的吸湿和解吸拉伸蠕变测试分别重复1次，全部测试总时间为14.6 d，如图8a所示。

4)对于压缩蠕变测试，试件先在温度20 ℃、相对湿度32%的环境气候箱中进行3 d的吸湿压缩蠕变测试；随后将环境气候箱相对湿度调为98%，进行3 d吸湿状态下的蠕变测试；然后再将环境气候箱相对湿度调回32%，进行3 d解吸状态下的蠕变测试。同样的吸湿和解吸压缩蠕变测试分别重复4次，全部测试总时间为30 d，如图8b所示。

由图8可以看出，本套系统可以实现长时间、稳定可靠、高精度的木材拉伸或压缩蠕变变形量监控、测量和记录的目的。系统运行检测结果显示，拉伸蠕变除首次吸湿的蠕变量持续增加外，其余的蠕变过程吸湿阶段蠕变增大，解吸阶段蠕变减小。压缩蠕变除首次吸湿的蠕变量持续增加外，其余的蠕变过程均符合吸湿阶段蠕变减小而解吸阶段蠕变增大的机械吸附蠕变特征，这一规律与前人研究结果一致[17-18]。

图8 湿度循环下的蠕变曲线Fig. 8 Creep curves under repeated humidity cycle

4 结 论

木材拉压一体蠕变监测系统符合木材拉伸和压缩蠕变测试的基本原理，同时该系统充分考虑了试验的检测装置与环境系统的兼容性、试验测试长期性、数据采集的实时性和精确性以及操作过程的简易性。经连续湿度循环条件下的木材机械吸附蠕变试验验证表明：由该监测系统得到的蠕变试验数据离散性小，出错率低。该系统能将木材在拉伸和压缩状态下蠕变过程中存在的普通蠕变和机械吸附蠕变特征以及在该过程中木材拉压蠕变对环境湿度的响应速度、环境湿度对木材拉压蠕变的影响程度进行清晰地展示，证实该系统可实现高精度可控试验环境条件下木材纯拉和纯压蠕变的长期自动采集、存储及显示，其蠕变测试精度为0.001 mm，完全满足检测要求，为木材拉伸和压缩蠕变规律及机理的研究提供了新的测试平台。