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木质胶接接头力学性能的研究

作　者: 卢伟
导　师: 胡英成
学　校: 东北林业大学
专　业: 木材科学与技术
关键词: 桦木胶接接头力学性能有限元无损检测
分类号: TS653
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

木材是人类应用最早的材料之一,由丁木材本身具有天然纹理和色泽、易加工、质轻而强重比大、可生物降解、隔声、隔热、绝缘等优点,使木质材料在人类发展的历程中发挥了极其重要的作用。在钢材、水泥、木材、塑料这四大工程材料中,木材是惟一的可再生材料。木质材料已被广泛应用于家具、建筑、乐器、船舶、车辆、医疗器械等各个行业。为了对木质材料进行正确合理的有效使用,就需要了解木材及其连接件的物理力学性能。因此本文针对以桦木为材料的几种胶接接头的力学性能进行了相关理论和试验的研究。论文首先提出了课题的研究背景和研究意义,对木质胶接技术和检测手段进行了阐述,对国内外胶接接头的应力分析、无损检测方法和蠕变特性进行了总结和论述,确定了论文的研究方向和主要研究内容。胶接接头的应力分布是一个复杂的力学问题,本文提出利用三角级数求和的方法,从理论上推导了胶接接头的应力分布区域及解析解的大小,为木质胶接接头应力的分析和求解提供了一种新的理论方法。对桦木搭接胶接接头力学性能进行了正交试验研究。主要研究胶合长度l、试件厚度h和试件宽度b三因素对其力学性能的影响。得到各因素对最大拉伸载荷影响的强弱关系为b>l>h,最优方案为b3l3h3；也得到各因素对拉伸强度影响的强弱关系为h>l>b,最优方案为h1l3b1。得到各因素对弹性模量(MOE)影响的强弱关系为l>h>b,最优方案为l3h1b3；也得到各因素对静曲强度(MOR)影响的强弱关系为h>l>b,最优方案为h1l3b3,弯曲性能的综合最优方案为l3h1b3。并利用Matlab软件构建了搭接接头力学性能的曲面模型和预测方程。对桦木盖板胶接接头力学性能进行三组单因素试验研究。三个因素分别为盖板长度(胶合长度)l、盖板厚度h1、试件和盖板同厚(h=h1),研究它们对接头力学性能的影响。发现拉伸载荷和拉伸强度随胶合长度l的增加而增加,拉伸载荷随盖板厚度h1的增加而增加,而拉伸强度却随盖板厚度h1的增加而略有减小,拉伸载荷和拉伸强度随试件和盖板同厚(h=h1)的增加而减小；弯曲载荷、MOE和MOR都随胶合长度l的增加而增加,随盖板厚度h1或试件和盖板同厚(h=h1)的增加而减小。对桦木斜接胶接接头的力学性能进行了单因素试验研究。研究三种斜率(1：4、1:8、1：12)对其力学性能的影响。斜率k由1：4变到1：8,胶合长度增加20mm,接头的拉伸载荷与拉伸强度增加了2.5倍；由1：8变到1：12,胶合长度也增加20mm,而拉伸载荷与拉伸强度只增加了29.49%；弯曲载荷、MOE和MOR都随斜率的减小而增加。因此斜率越小,斜接接头力学性能越好。对桦木指接胶接接头的力学性能进行了试验研究。研究三种斜度α(1：8、1：10、1：12)对其弯曲力学性能的影响。弯曲载荷、MOE和MOR都随斜度的减小而增加。因此斜度越小,指接接头力学性能越好。利用ANSYS有限元法对桦木胶接接头的力学性能进行了仿真分析,在仿真等效应力图中各种接头受力变形呈现不同程度对称分布,在胶合区域存在应力集中现象。搭接接头应力峰值随胶合长度l的增加而逐渐减小；随试件厚度h的增加,拉伸应力峰值增大,而弯曲应力峰值略有减小。盖板接头的应力峰值也随胶合长度l的增加而逐渐减小；随盖板厚度hl的增加,拉伸应力峰值而减小,随试件和盖板同厚(h=h1)的增加而增大；弯曲应力峰值随盖板厚度hl或试件和盖板同厚(h=h1)的增加而略有增大。斜接接头弯曲应力峰值随斜率k的减小而减小。指接接头由上到下的胶合面的弯曲剪切应力由负变正,数值由大到小再变大,剥离应力峰值在胶合面的中间区域,由上到下峰值逐渐减小,而且斜度越小,应力峰值越小。接头的仿真分析与胶接接头应力理论分析结论存在一致性,可以利用ANSYS有限元对接头的力学性能进行仿真分析。对桦木胶接接头进行了弯曲蠕变试验。搭接和盖板接头的抗弯曲蠕变现象相近似,其抗弯曲蠕变性能随胶合长度和试件厚度(或盖板厚度)的增加而增强,而且接头在蠕变的过程中,会出现突变再恢复的现象。斜接接头的抗弯曲蠕变在140h(第六天)左右发生一次大突变,比原木的突变发生要早,变异量也大,而且变异量随斜率减小而增加。从曲线整体看,斜接接头比搭接和盖板接头的蠕变曲线要光滑平整,也没有蠕变突变再恢复的现象。并利用对数方程和乘幂方程对蠕变曲线进行了回归分析,获得的回归方程精度很高,可以被用来预测各类胶接接头的蠕变过程。利用快速傅里叶变换(FFT)分析技术的弯曲振动法对四种桦木胶接接头进行无损检测。得到动态弹性模量Ef和破坏试验获得的拉伸强度σ(斜接接头除外)、MOE及MOR之间存在明显的相关性,回归关系高度显著,获得的回归方程可进行接头强度预测。将胶接接头应用到单板层级材(LVL)中,结果表明,通过设计合理的接头类型和结构尺寸,可以满足LVL等木质复合材料不同工作场合的使用性能,有效地提高LVL的力学性能和利用率。本文通过试验检测、理论推导和有限元分析的方法对木质胶接接头进行了力学性能的评价及其影响规律的研究,获得的理论模型及预测模型对于木质接头的实践应用有着积极的作用。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-17
1 绪论  17-31
  1.1 课题的研究背景和研究意义  17-20
    1.1.1 研究背景  17-19
    1.1.2 研究目的和意义  19-20
  1.2 胶接接头  20-23
    1.2.1 胶接接头的影响因素  20-21
    1.2.2 胶接接头的类型  21
    1.2.3 胶接接头受力形式  21-22
    1.2.4 胶接接头失效的形式  22-23
  1.3 胶接接头技术的研究现状  23-28
    1.3.1 国外胶接接头技术的研究现状  23-26
    1.3.2 国内胶接接头技术的研究现状  26-27
    1.3.3 木质胶接技术的研究现状  27-28
  1.4 木质胶接接头存在的问题  28-29
  1.5 论文的主要研究内容  29-30
  1.6 本章小结  30-31
2 胶接接头应力的理论分析  31-46
  2.1 概述  31
  2.2 搭接胶接接头应力  31-36
    2.2.1 以正弦和余弦级数表示应力  31-32
    2.2.2 待定系数A_n与B_n的联系  32
    2.2.3 接头的应力分量  32-34
    2.2.4 以最小应变能原理求解A_n  34-35
    2.2.5 应力表达  35-36
  2.3 盖板加固拉伸板接头应力  36-42
    2.3.1 以正弦和余弦级数表达应力  36-38
    2.3.2 待定系数A_n与B_n的联系  38
    2.3.3 盖板与拉伸板的应力分量  38-39
    2.3.4 以最小应变能原理求解A_n  39-40
    2.3.5 应力表达  40-42
  2.4 力偶作用时接头的应力  42-44
  2.5 数值实例  44-45
  2.6 本章小结  45-46
3 木质搭接胶接接头的力学性能研究  46-65
  3.1 力学检测试验  46-49
    3.1.1 原材料与试验设计  46
    3.1.2 拉伸性能试验  46-48
    3.1.3 弯曲性能试验  48-49
  3.2 响应面模型  49-51
    3.2.1 拉伸强度预测响应面模型  49-50
    3.2.2 弯曲性能的预测响应面模型  50-51
  3.3 有限元法的仿真分析  51-60
    3.3.1 ANSYS有限元软件简介  52
    3.3.2 拉伸性能的有限元的仿真分析  52-56
    3.3.3 弯曲性能的有限元的仿真分析  56-60
  3.4 弯曲蠕变特性  60-63
    3.4.1 蠕变理论  60-61
    3.4.2 蠕变试验  61-62
    3.4.3 试验分析  62-63
  3.5 本章小结  63-65
4 木质盖板胶接接头的力学性能研究  65-82
  4.1 力学检测试验  65-70
    4.1.1 原材料与试验设计  65
    4.1.2 拉伸性能试验  65-67
    4.1.3 弯曲性能试验  67-70
  4.2 有限元法的仿真分析  70-78
    4.2.1 拉伸性能的有限元的仿真分析  70-74
    4.2.2 弯曲性能的有限元的仿真分析  74-78
  4.3 弯曲蠕变特性  78-80
    4.3.1 蠕变试验  78-79
    4.3.2 试验分析  79-80
  4.4 本章小结  80-82
5 木质斜接胶接接头的力学性能研究  82-90
  5.1 概述  82-83
  5.2 力学检测试验  83-85
    5.2.1 原材料与试验设计  83
    5.2.2 拉伸性能试验  83-84
    5.2.3 弯曲性能试验  84-85
  5.3 有限元法的仿真分析  85-87
  5.4 弯曲蠕变特性  87-89
    5.4.1 蠕变试验  87-88
    5.4.2 试验分析  88-89
  5.5 本章小结  89-90
6 木质指接胶接接头的弯曲力学性能研究  90-96
  6.1 弯曲力学性能检测试验  90-91
    6.1.1 原材料与试验设计  90
    6.1.2 弯曲力学性能试验  90-91
  6.2 有限元法的仿真分析  91-95
  6.3 本章小结  95-96
7 木质胶接接头的无损检测研究  96-114
  7.1 无损检测理论  96-100
    7.1.1 概述  96
    7.1.2 振动应力波的传播理论  96-100
    7.1.3 FFT弯曲振动无损检测法  100
  7.2 搭接胶接接头的无损检测研究  100-103
    7.2.1 拉伸性能无损检测分析  100-101
    7.2.2 弯曲性能无损检测分析  101-103
  7.3 盖板胶接接头无损检测研究  103-106
    7.3.1 拉伸性能无损检测分析  104-105
    7.3.2 弯曲性能无损检测分析  105-106
  7.4 斜接胶接接头弯曲性能无损检测研究  106-108
  7.5 指接胶接接头弯曲性能无损检测研究  108-110
  7.6 各种接头无损检测的综合分析  110-112
    7.6.1 拉伸性能无损检测分析  110-111
    7.6.2 弯曲性能无损检测分析  111-112
    7.6.3 回归方程的建立  112
  7.7 本章小结  112-114
8 胶接接头对单板层积材的弯曲力学性能的影响分析  114-121
  8.1 绪言  114-115
  8.2 试验材料与方法  115
    8.2.1 试验材料  115
    8.2.2 试验方法  115
  8.3 试验结果与分析  115-120
    8.3.1 搭接LVL的力学性能  115-117
    8.3.2 盖板LVL的力学性能  117-118
    8.3.3 斜接LVL的力学性能  118-119
    8.3.4 几种LVL的力学性能对比分析  119-120
  8.4 本章小结  120-121
结论  121-123
论文创新点  123-124
参考文献  124-131
攻读学位期间发表的学术论文  131-132
致谢  132-133

木质胶接接头力学性能的研究

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