基于不同含水率下的船体支撑垫木力学特性研究

摘" 要： 木材广泛应用于船舶建造中，由于露天存放，风吹日晒，含水率差异极大，对垫木的承载能力产生重要影响.文中分析了垫木支撑船体典型作用方式，设计垫木承载能力试验，采用微机控制电子万能试验机测试垫木的载荷-位移曲线.在此基础上，建立非线性动态有限元模型，模拟动载荷作用下垫木结构响应，与试验结果进行对比，得出不同含水率对垫木承载能力的影响，并提出应用建议，可作为船舶建造过程中应用支撑垫木的参考.

关键词： 支撑垫木；含水率；强度试验；非线性有限元分析

中图分类号：U668.3+1""" 文献标志码：A"" """文章编号：1673-4807（2024）05-017-06

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.003

收稿日期： 2023-03-29""" 修回日期： 2021-04-29

基金项目： 国家自然科学基金面上项目（52171259）；国家重点研发计划项目（2022YFE0107000）；工信部高技术船舶科研项目（工信部重装函［2021］342号）

作者简介： 孙剑（1975—），男，高级工程师，研究方向为先进船舶及海洋工程设计.E-mail：sun-hu@163.com

引文格式： 孙剑，董成前，丁仕风，等.基于不同含水率下的船体支撑垫木力学特性研究［J］.江苏科技大学学报（自然科学版），202 38（5）：17-22.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.003.

Study on mechanical properties of hull support cushionwood with different moisture content

SUN Jian， DONG Chengqian， DING Shifeng， WANG Qingfeng， ZHOU Li

（School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：Wood is widely used in ship construction. Due to the open storage， wind and sunshine， the moisture content is very different， which has an important impact on the bearing capacity of the wood. In this paper， the typical action mode of the supporting hull of the cushion wood is analyzed， and the bearing capacity test of the cushion wood designed. The load-displacement curve of the cushion wood is tested by the microcomputer controlled electronic universal testing machine. On this basis， the nonlinear dynamic finite element model is established to simulate the response of the cushion wood structure under dynamic load. Compared with the test results， the influence of different water content on the bearing capacity of the cushion wood is obtained， and the application suggestion is proposed， which can be used as a reference for the application of the supporting cushion wood in the process of ship construction.

Key words：support cushion wood，moisture content，strength test，nonlinear finite element analysis

木材作为自然界中常见的材料，人们根据它的性质特征，将其用于不同途径.船舶建造过程中，垫木是广泛应用的支撑材料，承载模式主要为受压.其自重小，承载力较高，可以起到支撑船体、缓冲动力载荷的作用.为了更好地利用木材，人们对其性能进行了各种研究.文献［1］阐述了木材在建筑中的使用对环境影响，并给出了未来木材性能研究的方向，为更好利用木材资源提供参考.文献［2］研究了不同因素对垫木蠕变特性的影响，在此基础上，建立了适用于钢卷静置时木托架垫木蠕动变量模型.文献［3］对横纹压缩荷载下木材力学性能现状进行总结，分析了研究不足之处，并给出今后研究方向.文献［4］通过研究不同热处理对木材性能的影响，得出相同温度与处理时间下，沙浴热处理的尺寸稳定性比气相介质热处理高，但木材强度降低较多.文献［5］以毛白杨弦向板为研究，得出木材在90～210℃的预热温度进行层状压缩时，其硬度、抗弯弹性模量和抗弯强度有所提高.高温与高压处理的木材相对坚实、不易开裂，并且老化速度慢［6］.文献［7］对马尾松木材进行不同温度蒸汽热处理，研究木材密度、表面润湿性等变化对其粘接性能的影响，为今后研究木材性能提供参考.文献［8］研究了影响斗栱在轴压作用下力学性能的因素，并开发木材相关子程序，得出斗栱在轴压作用下的力学性能.文献［9］对木材钻孔后的残余应变进行研究，并基于木材弹塑性损伤本构得到木材损伤因子及其在孔周的分布特点，为相关弹塑性模拟提供基础.文献［10］对木材II型断裂进行研究，得出末端缺口弯曲试验比紧致剪切试验来测木材II型断裂更好.这些研究，关注木材本身性能和部分环境影响因素，但对含水率影响的问题并未深入研究.

垫木是船体建造过程中常用的辅助支撑材料，其支撑能力受到含水率的影响，是造船过程中的安全隐患之一.文中以造船过程中常用的支撑垫木为研究对象，开展了一系列垫木支撑能力实验，获得不同含水率试样的“载荷-变形”历时曲线，并采用非线性有限元方法详细分析外载荷作用下的垫木结构响应，获得动态载荷作用下垫木结构应力云图与变形过程，进而将试验结果与数值结果进行对比分析，探究含水率差异对木材力学性能的影响，提出船舶建造过程中使用垫木支撑的相关建议，可作为造船过程中使用与维护垫木的参考，将一定程度提高船体施工的安全性.

1" 垫木承载特性试验研究

1.1" 木材力学性能与试验

为了分析不同含水率对垫木材料承载特性的影响，分别对不同含水率的垫木材料进行压缩试验，观察垫木变化情况，并进行数据记录，对比其在不同含水率下的承载特性.

关于垫木试样的压缩试验，在线弹性范围内弹性模量为E=σ/ε，E表示应力应变曲线的直线部分斜率.另外，弹性模量也可以表述为：

E=（F/S0）/（ΔL/L0）（1）

式中：L0与S0分别为试样原始长度和试样受力的横截面积；ΔL为材料的变形量.

在试样挤压过程中仅受到竖直方向的压力，由最大应力准则认为，对于任何材料发生破坏时，都是由于在该方向上的一个或者几个应力的分量达到了材料某方向的应力或应变最大值，即认为材料失效［11］，最大应力准则的判据式为：

σL≤FL，σT≤FT，τLT≤FLT（2）

式中：FL为纵向拉伸强度；FT为横向拉伸强度；τLT为切向应力；FLT为平面剪切强度，最大应力准则判断时相互独立，各个应力的分量影响并未考虑.

对于垫木试件的抗压强度的测定，将试样放置在试验机器平面支座的中间位置，对垫木试样进行均匀加载，直至试件被破坏，并记录试件破坏时的载荷值.其计算公式为：

σw=pmaxab（3）

式中：σw为试验含水率为w%时的抗压强度，MPa；pmax为试样破坏时的荷载，N；a为试样的长度，mm；b为试样的宽度，mm.

1.2" 垫木承载性能的试验方案设计

为了分析不同含水率对垫木材料承载特性的影响，分别对不同含水率的垫木材料进行压缩试验，观察垫木变化情况，并进行数据记录，对比其在不同含水率下的承载特性.

试验以船体支撑结构中用到的垫木作为试验研究对象，在不同含水率下进行载荷作用，使用设备为万能试验机，如图 从而得到相关力学性能参数.所选试样规格为120 mm×70 mm×70 mm的垫木试样，提前将准备好的垫木试样进行分组编号，选择浸泡时间为1、2、7 d.

对于浸泡好的木材进行顺纹压缩试验后，做好相关记录，并将试样利用干燥法测定含水率，方法为：

从压缩后的试样上截取适当完好试样进行称重记录，然后放入烘箱中，将烘箱的温度改到103±2 ℃，并持续进行8 h.之后需要每2 h称一下，直到两次称重差很小，则认为是全干.然后将试样取出等冷却后进行称重，根据公式进行计算：

W=m1-m0m0×100%（4）

式中：W为试样含水率，%；m1、m0分别为试样试验的质量和试验后全干的质量，g.得到的含水率如表1.

1.3" 垫木承载能力试验及分析

在做试样挤压试验时观察到，当压力超过试样承载能力后，一般试样破坏会从局部或者边角处开始，然后由破坏的初始位置向周围散开.

对于垫木试样的受压变化，根据试件破坏过程可分为3个阶段：第1阶段为弹性变形阶段，第2阶段为塑性压缩变形阶段，第3阶段为压实后承压阶段.

在弹性受压阶段，不同含水率试样均未发生明显的破坏，但有局部小变形发生.随着上部压力的变大，试件开始产生较为明显的塑性变形，在这个阶段，不同含水率木材的变形存在一定的差异性，各试样损坏特征描述：

（1） 含水率为14.1%，图2中的（a）图在挤压过程中，观察木材整体压缩量并不明显，其破坏形式是在顶部产生沿长度方向的裂缝，并且其侧面产生沿高度方向的裂缝.

（2） 含水率为21.2%，图2中的（b）图由顶端长边中间附近向底部展开裂纹，同时在高度约中间部位裂纹又沿着对角方向.

（3） 含水率为27.8%，图2中的（c）图压缩过程比较缓慢，可以观察到试样顶端向下移动.裂纹由顶部边上斜着向面的顶角移动，底部边上有向外扩张的趋势.随着压力增大，侧面产生的裂纹沿着底部对角撕裂开来.

在试验过程中，当试样含水率过大时，挤压会有水分溢出，并且达到承载极限时，承载力随即下降，对数据进行适当处理后，获得不同含水率的载荷—位移图像如图3.

通过对比不同含水率力与位移图像发现，试样承载能力在含水率21.2%时相对较高，且当含水率处在27.8%时，此时的承载力下降，原因是含水率不断增加，原有的部分氢键被破坏，会与之前水分子形成氢键，所形成的水分子簇使得细胞壁分子链距离增加，空隙增多，导致木材的弹性模量降低，木材细胞壁主成分也会因水分逐渐软化，硬度降低［12］.观察试验曲线可以看到，在试样挤压过程的初始阶段，承载力会有一段平缓的上升期，原因是木材开始时会有一段的压紧过程.

2" 垫木承载能力的数值分析

2.1" 非线性有限元模型

对试验试样在ABAQUS中进行简化建模，并划分网格进行有限元计算.对于模拟的试样尺寸与试验的试样尺寸一致，而底座和加载部件尺寸比试样尺寸大即可，考虑到模拟的简便性，对承载试样的底座与施加条件的上部将其定义为刚体，只需要指定一个参考点，将所有的边界条件和载荷都施加在这个参考点上，并且不需要赋予材料属性和截面属性.试样采用C3D8R单元，底座和施加条件部件采用R3D4单元，有限元模型及网格划分如图4.

在ABAQUS中，正交各向异性本构提供两种方法：Orthotropic和Engineering Constants.对于Engineering Constants可直接定义参数，故采用Engineering Constants进行模拟，表达式：

ε11ε22ε33γ12γ13γ23=1/E1－ν21/E2－ν31/E3000－ν12/E11/E2－ν32/E3000－ν13/E1－ν23/E21/E30000001/G120000001/G130000001/G23σ11σ22σ33σ12σ13σ23（5）

式中：εij、γij和σij分别为应变和应力分量；E1、E2、E3分别为3个正交方向的弹性模量；G12、G13和G23分别为变形产生在1-2、1-3和2-3所组成的平面上的剪切模量；vij为材料泊松比.

另外，当超过屈服点，软件必须以真实应力和对数塑性应变εp形式输入，所需对数塑性应变为：

εp=εt－σtE（8）

木材正交各向异性中，一般采用L、T、R为木材的纵向、弦向和径向；GRT为径向和弦向组成面上的剪切模量；GLT为纵向和弦向组成面上的剪切模量；GLR为纵向和径向组成的面上的剪切模量.边界条件设置时，考虑支撑底座是固定的，所以对底座模型全固定约束，施压部件需要在z方向移动，且定义为具有恒定轴向速度v0的刚体［13］，加载速度为2 mm/min，其他固定，整体模型接触为通用接触.

对木材塑性阶段进行定义，并赋予部件，同时建立局部坐标系，使部件方向与定义的材料方向一致.

对于ABAQUS中的相关数据，试验中获得的材料应力应变曲线通常是工程上的，因此，需要将工程应力σe和工程应变εe转换为真实应力σt和真实应变εt为：

σt=σe（εe+1）（6）

εt=ln（εe+1）（7）

当试验数据缺少时，取ET/EL≈0.0 ER/EL≈0.1 GLT/EL≈0.0 GLR/EL≈0.07 GRT/EL≈0.01 泊松比取值参考文献［15］.通过试验可获得弹性模量，抗压强度等数据，其他数据可根据公式进行求解.

比较不同含水率，通过改变属性模拟含水率不同，不同含水率试样的物理属性见表2.在设置过程时，E1、E2、E3分别对应木材的R、T、L 3个方向弹性模量，v12、v13、v23分别为顺纹纵向、横纹切向、横纹经向的主泊松比，G12、G13、G23分别为径向和切向、纵向和径向、纵向和切向组合面上的剪切模量.

2.2" 相同含水率试样在不同位置应力分析

试样在挤压过程中作用在上面的力可以认为是均匀分布的，为了探究在这阶段时不同位置的应力分布，故选取试样在含水率14.1%情况下，对某个时刻的几个单元如图5进行分析，其应力分布如图6.

由图6根据所选的单元应力可以得出，试样在均匀载荷作用下产生的应力并没有均匀分布，且在中间偏1/4宽度的位置应力相对较高，并向两端减小.

2.3" 不同含水率试样应力分析

为了对不同含水率试样的应力分析，选取相同位置应力曲线和对最终承受应力进行比较分析.

（1） 相同位置应力曲线分析

选取不同含水率相同位置A处单元进行应力曲线分析，应力曲线如图7.

如图 可以看到，不同含水率试样在A处的应力总体趋势是一样的，由刚开始时应力呈线性增加，在压缩过程中会出现应力集中，进而产生波动，在应力增大的部位会发生位置偏移，随后应力减小.

（2） 不同含水率结果分析

不同含水率应力结果比较如图8.从图中可以看到，当含水率达到27.8%时，应力值不到前面的一半，可见当含水率过大时对强度影响较大.

3" 数值模拟结果与试验结果的比较

图9显示了数值模拟与试验的载荷力与位移的比较，可以看到数值模拟结果的整体趋势与试验比较贴合.

表3列出了不同含水率试样损坏时试验载荷值、位移和仿真载荷值、位移，并得到两者的相对误差.相对误差较小，说明仿真结果具有一定的参考性，试验与计算结果比较见图10.

4" 结论

（1） 通过数值模拟结果和试验结果对比分析，不同含水率试样数值结果曲线和试验结果曲线趋势较为吻合，且误差相对较小，因此所选本构模型能较好的表达木材特性.

（2） 对不同含水率的木材试样进行强度分析得出，木材含水率过大时强度下降明显，进一步通过仿真验证，得出相似现象，因此仿真结果具有相对可靠性.建议当选用木材承载时，应根据所处环境考虑含水率变化产生的影响.

（3） 在用垫木作船体支撑时，木材发生损坏后不会立即失去支撑能力，仍然具有一定安全性.

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（责任编辑：贡洪殿）