基于纤维解离高应变率加载对木材动力学特性影响分析

许威 曹军 花军 陈光伟

摘 要：為解决纤维解离应变率对木材动力学特性的影响问题，以环孔材水曲柳和散孔材桦木为试材，应变率为0.001、400、700 、1 000 s，含水率为全饱和，加载方向为径向、弦向和轴向，测试2种试材的动力学特性，分析应变率对木材动力学特性的影响。研究结果表明，应变率和试材的解离程度呈正相关关系；环孔材水曲柳解离后呈细长状，散孔材桦木解离后呈短粗状；环孔材水曲柳弦向最易解离，散孔材桦木径向最易解离；高应变率加载时，环孔材水曲柳和散孔材桦木的应力-应变曲线由屈服点应变分为弹性阶段和屈服后弱线性强化阶段，环孔材水曲柳内部结构的不均匀性大于散孔材桦木；2种试材的抗压强度均随应变率的增大而增大。研究结果发现环孔材水曲柳和散孔材桦木的动力学特性均具有较强的应变率敏感性，环孔材水曲柳和散孔材桦木均是应变率敏感材料。

关键词：木材;纤维解离;应变率;环孔材;散孔材;动力学特性

中图分类号：S781.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）06-0088-07

The Influence of High Strain Rate Loading on Wood Dynamic

Characteristics Based on Fiber Dissociation

XU Wei， CAO Jun， HUA Jun， CHEN Guangwei

（1.College of Mechanical and Electrical Engineering， Northeast Forestry University， Harbin 150040， China; 2.College of Light Industry， Harbin University of Commerce， Harbin 150028， China）

Abstract：In order to solve the problem of the influence of fiber dissociation strain rate on the dynamic properties of wood， the ring-porous Fraxinus mandshurica and diffuse-porous birch were used as test materials， with the strain rates of 0.001， 400， 700， and 1 000 s， under fully saturated conditions and with loading directions of radial， tangential， and axial directions. The dynamic mechanical properties of the two test materials were tested， and the effect of strain rate on the dynamic characteristics of wood was analyzed.The research results showed that there was a positive correlation between strain rate and wood dissociation degree. After dissociation， Fraxinus mandshurica of ring-porous wood appeared slender while birch of diffuse-porous wood appeared short and thick. Radial direction in Fraxinus mandshurica of ring-porous wood was most easily dissociated， while tangential direction in birch of diffuse-porous wood was most susceptible. Under high strain rate loading， both Fraxinus mandshurica of ring-porous and birch of diffuse-porous woods' stress-strain curves were divided into the elastic stage and the stage of weak linear strengthening after yielding， with the non-uniformity of internal structure greater in Fraxinus mandshurica of ring-porous wood than in birch of diffuse-porous wood. The compressive strength of the two specimens increased with the increase of strain rate. The results found that the dynamic properties of Fraxinus mandshurica of ring-porous wood and birch of diffuse-porous wood had strong strain rate sensitivity， and they were both strain rate sensitive materials.

Keywords：Wood; fiber dissociation; strain rate; ring porous wood; diffuse porous wood; dynamic characteristics

收稿日期：2023-06-15

基金项目：教育部高等学校博士学科点专项科研基金（博导类）课题（20130062110005）；黑龙江省普通本科高等学校青年创新人才培养计划（UNPYSCT-2020216）。

第一作者简介：许威，博士，讲师。研究方向为木材科学与技术、机械设计及理论。E-mail： hljhrbxw@163.com

*通信作者：花军，博士，教授。研究方向为木材科学与技术、机械设计及理论。E-mail： huajun81@163.com

引文格式：许威，曹军，花军，等. 基于纤维解离应变率对木材动力学特性的影响分析[J]. 森林工程， 2023，39（6）：88-94.

XU W， CAO J， HUA J， et al. The influence of high strain rate loading on wood dynamic characteristics based on fiber dissociation[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6）：88-94.

0 引言

木材资源是人造板产业发展的基础原料，我国人均森林资源数量较少，严重影响了人造板产业的发展。我国是世界上最大的纤维板生产国，在纤维板生产中纤维分离所消耗的能源几乎占据其生产总能源的一半，直接影响纤维板产品的生产成本和利润。提升木材原料的利用率和降低纤维板生产中的能量消耗是提升纤维板产品市场竞争力的重要途径，也是学者们研究的重点内容。

国外学者利用试验对热磨条件下木材原料解离的动力学特性及其影响因素进行了全面研究。Jan等利用试验研究了冲击加载速度对热磨法纤维解离时木片断裂过程的影响，分析了断裂形式、冲击方向和木片尺寸等对木片断裂过程和尺寸减小的影响。Petri等利用冲击加载试验研究了温度对蒸汽处理木材的压缩力学性能的影响，分析了不同温度下木材应力和应变的变化规律。Holmgren等利用ESHD试验装置研究了蒸汽预处理对云杉动力学特性的影响，分析了温度、应变率和压力对云杉动力学特性的影响。Eskelinen等利用摆锤木材力学试验机研究了木材原料断裂时不同方向上冲击力的差异，分析了裂纹扩展路径对冲击力的影响。国内学者对准静态加载条件下木材的断裂力学开展了大量研究，对热磨条件下木材原料解离动力学特性的研究相对较少。李猛等利用声发射技术和数字图像相关技术研究了不同含水率杉木试件的损伤过程，对不同含水率下木材裂纹的萌生规律及起裂载荷进行了研究。邵卓平等应用ABAQUS软件对木材裂纹尖端应力场进行了分析，并应用“切向比正应力准则”对裂纹的起裂方向进行了预测。田振农等通过理论与试验分析相结合的方法，建立了木材多尺度力學分析模型并分析了木材宏观力学性质和断裂机理。张美林等通过声发射信号对木材内部断裂损伤状态进行了评估，分析了熵值和波形特征参数与木材内部损伤与断裂过程的关系。木纤维解离生产中木材原料的含水率接近全饱和，应变率约为1 000 s，这导致现有相关研究试验条件与生产中木材原料解离的实际情况相差较大。

本研究的目的是研究不同结构木材原料的解离动力学特性，分析应变率对木材原料解离动力学特性的影响，旨在提高纤维板生产中木材原料的利用率，降低纤维分离的能量消耗，深化木材原料研磨解离机制的研究，为纤维解离生产工艺参数和纤维分离设备的优化提供理论指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

根据纤维板原料结构特征和对纤维板力学性能影响作用的大小，选取东北地区硬杂木中的环孔材水曲柳（Fraxinus mandshurica）和散孔材桦木（Betula platyphylla）作为试材，试件尺寸和加载方向如图1所示。

1.2 试验方法

试验测量了低应变率（0.001 s）和高应变率（400、700、1 000 s），3个方向（径向、弦向、轴向），2种试材（水曲柳、桦木）全饱和试件的压缩动力学特性，全饱和试件是将试件放入水中待试件含水率达到平衡状态。每种加载试验做4次重复试验，舍弃波形不清晰、不完整以及其他因素导致试验失败的试件。0.001 s加载试验在万能力学试验机上完成，试验测得试件的应力-应变关系曲线；400、700、1 000 s加载试验是在分离式霍普金森杆上完成，所用霍普金森杆为直径40 mm的铝杆，撞击杆的长度为0.3 m，入射杆和透射杆的长度均为1.8 m，通过粘贴在入射杆和透射杆上的应变片测定加载过程中的应力脉冲信号，经过数据处理获得加载过程中试件的全部力学特性。试验后对加载后的试件进行拍照，采集试件解离后的图像。

2 应变率对木材动力学特性影响分析

2.1 试件受载后的形态特征

环孔材水曲柳和散孔材桦木试件加载后各组试验试件的典型解离图像如图2所示，对比分析各组试验试件的解离形态特征可以发现以下现象。

当应变率为0.001 s时，环孔材水曲柳和散孔材桦木试件沿加载方向产生较大的塑性变形，试件上产生贯穿性裂纹，但试件几乎未发生破碎解离。径向加载时，裂纹首先出现在沿加载方向的自由端面处，随后沿着加载方向扩展；弦向加载时，裂纹首先出现在早晚材分界处，随后沿着早晚材分界面扩展，环孔材水曲柳试件几乎所有早晚材分界面处均产生了裂纹，散孔材桦木试件只是在自由端面处产生少数沿加载方向的裂纹；轴向加载时，在试件表面均可见明显褶皱现象，沿加载方向产生贯穿性裂纹。

当应变率为400 s时，环孔材水曲柳试件只有弦向加载试件在早晚材分解面处产生裂纹，散孔材桦木试件只有径向加载试件被解离成粗大的棍状试件，其余加载试件均只产生塑性变形而没有发生解离。

当应变率为700 s时，环孔材水曲柳径向加载试件被解离成形状不规则的大块试件，弦向加载试件被解离成大量薄片状的试件，轴向加载试件在早晚材分解面处产生较少的贯穿性裂纹；散孔材桦木径向加载试件被解离成大量棍状的试件且试件的径向平均尺寸小于400 s时，弦向加载试件被解离成形状不规则的大块试件，轴向加载试件被解离成形状不规则的大块试件，且试件上可见大量褶皱。

当应变率为1 000 s时，环孔材水曲柳径向和弦向加载试件均被解离成大量平均尺寸小于700 s时的片状试件，弦向加载时还解离出大量长针状试件，轴向加载试件沿加载方向产生更多的贯穿性裂纹和褶皱；散孔材桦木径向、弦向和轴向加载试件均在700 s的基础上被进一步解离，弦向加载时还解离出大量的短粗状试件。

从整体上看，随着应变率的增加，环孔材水曲柳和散孔材桦木试件的解离程度增加；环孔材水曲柳弦向最易解离，轴向最难解离，试件解离后主要呈细长状的小试件；散孔材桦木径向最易解离，轴向最难解离，试件解离后主要呈短粗壮的小试件。可见，应变率和木材试件的解离程度呈正相关关系，应变率相同时木材试件的加载方向、密度和内部结构的均匀性决定了木材试件解离的难易程度；木材内部结构对纤维解离的形态有较大的影响。

基于上述试验分析，在纤维板生产中可通过提高热磨机的转速提高木材原料解离的应变率，进而可提高木材原料的解离程度；若纤维板产品要求具有较高的力学强度和相对较长纤维结构时，可提高木材原料中硬杂木环孔材的配比；若纤维板产品要求具有适中的力学强度和较短纤维结构时，可提高木材原料中硬杂木散孔材的配比。

2.2 应力-应变关系

对环孔材水曲柳和散孔材桦木试件进行加载试验，对测得的数据进行处理得到每组试验环孔材水曲柳和散孔材桦木试件的应力-应变关系曲线，发现试验重复性较好，如图3所示。

根据各组试验所得应力-应变关系曲线可以看出：

1）低应变率加载时，环孔材水曲柳和散孔材桦木试件的应力-应变曲线具有典型多孔材料的三段式结构，即线弹性阶段、屈服后弱线性强化阶段和密实化阶段；环孔材水曲柳试件的应力-应变关系的应力水平大于散孔材桦木试件，散孔材桦木试件的应力-应变关系曲线较为光滑，环孔材水曲柳试件的应力-应变曲线在屈服后弱线性强化阶段有较大的波动，如图4所示。

2）高应变率加载时，环孔材水曲柳和散孔材桦木试件的应力-应变曲线由屈服点应变分为弹性阶段和屈服后弱线性强化阶段，如图5所示。高应变率加载时应力-应变关系没有幂强化阶段，主要是由于加载应变率较高，冲击载荷对木材试件所做的功无法均匀传递到试件内部，试件内部变形不均匀性加剧了试件内部裂纹生成，使得试件在尚未进入到密实化阶段时就产生了宏观裂纹而被解离。高应变率加载时，环孔材水曲柳试件的应力-应变关系的应力水平同样大于散孔材桦木试件，环孔材水曲柳试件的应力-应变曲线在屈服后弱线性强化阶段的波动程度也大于散孔材桦木试件，试件内部结构不均匀性的差异在应力-应变关系上主要体现在弱线性强化阶段。

由此分析可见，环孔材水曲柳内部结构的不均匀性大于散孔材桦木，研磨解离过程中环孔材水曲柳对磨片磨齿冲击磨损作用大于散孔材桦木，纤维板生产中应合理设置不同种类木材原料的占比使得木材原料对磨片的冲击磨损作用区域均匀以提高热磨机磨片的使用寿命。

2.3 试件的抗压强度

低应变率加载时，试件的应力-应变关系具有密实化阶段，因此试件抗压强度只分析高应变率加载的情况，环孔材水曲柳和散孔材桦木各组试验所得试件抗压强度平均值见表1，通过分析可知：

1）对于环孔材水曲柳试件，当应变率从400 s增加到700 s时，环孔材水曲柳径向、弦向和轴向抗压强度分别增加了23.32%、21.69%和6.54%；当应变率从700 s增加到1 000 s时，环孔材水曲柳径向和轴向抗压强度分别增加了1.45%和6.30%，而弦向抗压强度下降了9.24%。相同加载条件下，环孔材水曲柳试件轴向加载抗压强度最大，弦向加载抗压强度次之，径向加载抗压强度最小，轴向加载抗压强度平均分别是弦向加载抗压强度和径向加载抗压强度的2.20倍和3.44倍。

2）对于散孔材桦木试件，当应变率从400 s增加到700 s时，散孔材桦木径向、弦向和轴向抗压强度分别增加了50.31%、33.71%和45.27%；当应变率从700 s增加到1 000 s時，散孔材桦木弦向和轴向抗压强度分别增加了10.54%和5.95%，而径向抗压强度下降了0.71%。相同加载条件下，散孔材桦木试件轴向加载抗压强度最大，径向加载次之，弦向加载抗压强度最小，轴向抗压强度平均分别是径向加载抗压强度和弦向加载抗压强度的3.77倍和4.90倍。

3）當应变率在400 s到1 000 s范围时，相同加载条件下，环孔材水曲柳试件径向、弦向和轴向的抗压强度分别是散孔材桦木试件径向、弦向和轴向抗压强度的1.74、3.54、1.60倍。

通过分析可见，无论是环孔材水曲柳试件还是散孔材桦木试件的抗压强度均具有较强的应变率敏感性，环孔材和散孔材均是应变率敏感材料；相同加载条件下，环孔材水曲柳试件的抗压强度大于散孔材桦木；环孔材水曲柳轴向加载抗压强度最大，弦向加载抗压强度次之，径向加载抗压强度最小；散孔材桦木轴向加载抗压强度最大，径向加载次之，弦向加载抗压强度最小。

在纤维板生产中，若能够根据木材原料结构配比情况合理设计进料螺旋和热磨机磨片齿形结构参数，使得大量木材原料能够沿着抗压强度最低的方向被研磨解离，则可以有效降低研磨过程中的能量消耗，减小研磨过程中磨片磨齿的磨损，延长磨片的使用寿命。

4 结论

1）环孔材水曲柳解离后主要呈细长状的小试件，散孔材桦木解离后主要呈短粗壮的小试件。木材原料解离的难易程度主要受应变率、加载方向和密度等的影响，其中应变率越高解离程度越大。在纤维板生产中可根据纤维板产品的力学性能要求，合理选择木材原料的种类和配比，并通过提高热磨机转速以提高木材原料解离的应变率增加木材原料的解离程度。

2）环孔材水曲柳和散孔材桦木试件的应力-应变曲线具有典型多孔材料的三段式结构，但是高应变率加载时，由于应变率较高试件在屈服后弱线性强化阶段就已被解离；环孔材水曲柳对磨片磨齿冲击磨损作用大于散孔材桦木，实际生产中应合理设置不同种类木材原料的配比，使得木材原料对磨片的冲击磨损作用趋于均匀以提高热磨机磨片的使用寿命。

3）环孔材水曲柳和散孔材桦木试件的抗压强度均具有较强的应变率敏感性，环孔材水曲柳和散孔材桦木均是应变率敏感材料；当应变率相同时，试件的抗压强度主要受加载方向的影响。实际生产中，若根据木材原料抗压强度的特性，合理设计进料螺旋和磨片磨齿的结构参数，可以有效降低研磨过程中的能量消耗，减小磨片磨齿的磨损延长磨片的使用寿命。

【参 考 文 献】

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