數(shù)字散斑相關(guān)方法和分形理論在木材力學(xué)研究中的運(yùn)用.pdf

1、材料的彈性模量是表征材料力學(xué)性能的重要參數(shù),彈性模量及其內(nèi)耗在材料的利用、改性和材料微觀結(jié)構(gòu)的研究中有重要的作用；在材料的無(wú)損檢測(cè)中,彈性模量及其內(nèi)耗的變化也是判斷材料中是否有缺陷的一個(gè)重要指標(biāo)。木材作為高分子、各向異性材料,其彈性模量是表示木材和木質(zhì)材料抵抗變形能力的一個(gè)重要物理量。彈性模量在木材強(qiáng)度非破壞性試驗(yàn)估計(jì)中,是材料強(qiáng)度的預(yù)測(cè)值；在木結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和木質(zhì)材料性能的研究中,也是一個(gè)重要力學(xué)參量。傳統(tǒng)的測(cè)量木材的彈性模量所采用的

2、方法以電阻應(yīng)變測(cè)試方法為多。這種電測(cè)法雖然是一種成熟的力學(xué)測(cè)試方法,但是該方法是以點(diǎn)測(cè)量為基礎(chǔ)的,用有限個(gè)應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試、計(jì)算。由于木材是多孔、片狀且非均質(zhì)各向異性的生物復(fù)合材料,由電測(cè)法測(cè)得的木材各個(gè)點(diǎn)力學(xué)量,不能準(zhǔn)確地反映全場(chǎng)的力學(xué)信息,因此存在著很大的局限性。 數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)是一種測(cè)量物體位移場(chǎng)的計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)測(cè)量方法,其基本思想是基于變形前后兩幅數(shù)字散斑圖像的比較,從而測(cè)量出物體位移和應(yīng)變。近年來(lái),數(shù)字散斑

3、相關(guān)方法憑借其全場(chǎng)、非接觸、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的關(guān)注,已成為一種成熟的測(cè)量方法,并已成功地應(yīng)用于材料的力學(xué)測(cè)量中。采用簡(jiǎn)單、方便的瞬時(shí)測(cè)量方法,具有重大的理論和實(shí)際價(jià)值,對(duì)評(píng)價(jià)木材的使用價(jià)值,具有十分重要的指導(dǎo)意義。本文使用數(shù)字散斑相關(guān)方法測(cè)量了三種木材的彈性常數(shù)、等位移場(chǎng)、表面擬合曲線。正交各向異性材料彈性常數(shù)間的關(guān)系較為復(fù)雜,須對(duì)各向異性材料的彈性常數(shù)應(yīng)滿足的關(guān)系式加以研究。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶入各向異性材料不等式加以檢驗(yàn),結(jié)果

4、所測(cè)的木材彈性常數(shù)滿足上述的限制條件,可見(jiàn),可以采用數(shù)字散斑相關(guān)方法來(lái)研究木材的力學(xué)行為。 木材是一種多孔層狀生物復(fù)合材料,其損傷斷裂過(guò)程一般可描述為有大量微損傷成核、擴(kuò)展、連接,最終導(dǎo)致斷裂破壞。分形理論作為一門新興的學(xué)科,它的提出為木材斷裂的研究提供了新的手段。材料斷裂表面具有某種隨機(jī)的或統(tǒng)計(jì)意義上的自相似結(jié)構(gòu)而被認(rèn)為是一種分形結(jié)構(gòu),其斷裂表面的分維值就是其表觀形貌的定量表征,不同斷裂表面的不同分維值在一定程度上反映了材料的

5、內(nèi)在屬性。氣干木材的順紋理斷裂則表現(xiàn)出脆性斷裂的行為,木材順紋理斷裂表面具有某種隨機(jī)的或統(tǒng)計(jì)意義上的自相似結(jié)構(gòu)而具有分形結(jié)構(gòu)。當(dāng)I型裂紋沿軸向擴(kuò)展時(shí),由于不同樹(shù)種因其構(gòu)造差異對(duì)木材斷口裂紋擴(kuò)展的阻力(即斷裂韌性)不同,這種差異同樣也表現(xiàn)在木材順紋理斷裂表面的形貌特征上,使順紋理斷裂韌性和斷口分維數(shù)存在相關(guān)關(guān)系。 本次實(shí)驗(yàn)表明,木材順紋理斷裂韌性和斷口分維數(shù)兩者呈高度正線性關(guān)系： KIC=272.42 D-588.45, R2=0