動態(tài)測試木材彈性模量研究進展

麥彤宇， 梁 碩， 王 正*， 馬旭剛， 宋 懿， 張一凡， 黃俁劼

(1.南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京210037；2.南京林業(yè)大學經(jīng)濟管理學院，江蘇 南京210037)

1 研究背景

木材是重要的工程材料，天然環(huán)保且具有可再生的性質，被廣泛運用于建筑、家具、電子機械、室內(nèi)裝修等行業(yè)。彈性模量是木材特性的基本參數(shù)之一，目前國內(nèi)外對于木材彈性模量的測試主要分為兩種方法：靜態(tài)彎曲法和動態(tài)測量法。傳統(tǒng)靜態(tài)方法對木材具有破壞性，并且測量過程繁瑣，而動態(tài)法操作簡便，不破壞木材的使用性能，已成為木材彈性模量檢測的主要方法和研究方向。準確、高效地測量出木材的彈性模量對于提升木材加工工業(yè)水平起著至關重要的作用。

2 國內(nèi)研究進展

我國從20世紀80年代初開始對木材進行無損檢測技術的應用研究，到了80年代中后期才開始用NDT法檢測木材彈性模量。我國對彈性模量的研究起步較晚，還沒有形成一套完整的體系，但也在逐步發(fā)展。

對于超聲波法，戴澄月等對興安落葉松、水曲柳、紅松和紫椴4種干材，采用超聲波脈沖首波等幅法測定了橫紋方向和順紋方向的超聲波速度，同時也得到了這兩個方向的彈性模量，并且他們通過回歸法分析木材順紋抗彎強度及抗壓強度和這兩種參數(shù)之間的聯(lián)系[1]；趙學增等開發(fā)了一種快速檢測法，它能快速測定木材的剪切彈性模量和抗彎彈性模量。這種方法是依據(jù)FFT分析技術、Timoshenko撓性振動理論及微機技術提出的[2]；李華等采用北京康科瑞公司NM-4A非金屬超聲波檢測儀，測定了北京大鐘寺博物館永樂大鐘大型木結構架的彈性模量，并對其力學強度的變化做出了評估[3]；超聲波檢測法的優(yōu)勢在于，不同的超聲波可以檢驗材料的不同性質，也可以用于評價木材。此方法可以提供直觀大量的信息，直接顯示材料內(nèi)部的情況，可靠性高，但超聲波檢測器有最小壁厚的限制，若材料厚度小于一定值將無法檢測到信號，對于測量某些特定材料將有一定的限制。

20世紀80年代以來，國內(nèi)應用無損檢測的應力波法和動態(tài)振動法測試成材的彈性模量[4-8]。

關于應力波法，1995年，王志同等研究應力波法檢測中密度纖維板彈性模量，研究結果表明這種方法不但測試精度較高，而且可以進行自動控制。此外，它還能實現(xiàn)在線檢測[9]。

在振動法方面，胡英成等運用振動法對兩種不同板材(膠合板和刨花板)的抗彎彈性模量進行測試。他們分別采用縱波共振法、彎曲振動法和縱波傳播法對兩種板材進行振動試驗，并對比分析了3種方法的實驗結果[10-11]。張厚江等為了對木質材料進行研究，運用振動法獲得其彈性模量。結果表明：要獲得木板的固有頻率值，橫向振動方式是一種更為有效的方法。同時，振動法測得的彈性模量比靜彈性模量值稍大。同年，加拿大國家林產(chǎn)品研究院和中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所均認為橫向振動法能預測木質材料的力學性能，為此他們共同探討了此方法用于預測大尺寸構件抗彎彈性的可行性[12]。2006年，池德汝等利用振動無損檢測法測得纖維板的動態(tài)彈性模量，并用一元和二元回歸方法分析了纖維板的密度、靜態(tài)彈性模量、動態(tài)彈性模量、靜曲強度之間的相關性[13]。

總體上說，國內(nèi)研究所用的方法主要是超聲波法和應力波法和橫向振動法。應力波法測試的彈性模量值能夠很好地驗證橫向振動法測試結果的準確性，二者互相結合操作簡易，數(shù)據(jù)精準。國內(nèi)對木材動態(tài)彈性模量測量的研究比國外少，木材無損檢測技術研究起步較晚，且研究的對象幾乎都是力學檢測國家標準所規(guī)定尺寸的試件，大多是針對小尺寸試件研究，而對于市場上流通的大尺寸木材的動態(tài)彈性模量很少進行相關的研究。筆者認為，國內(nèi)靜態(tài)測試技術以目前的實驗數(shù)據(jù)分析，可行性較高，隨著科技不斷地發(fā)展，研究進展不斷地前進，未來將會推廣到全部尺寸材料的測試。

而早在20世紀50年代，國外學者就開始采用動態(tài)方法來研究木材的動態(tài)彈性模量，迄今，國外關于木板、鋸材及原木的彈性模量與力學性能無損檢測技術研究較多，而針對膠合木構件及橋梁、建筑結構等彈模與力學性能的無損檢測技術研究相對較少。

3 國外研究進展

1961年，日本京都大學農(nóng)學部的梶田茂等[14]研究了動態(tài)楊氏模量和含水率之間的關系，他使用反射式光彈性測定器對干燥程度不同的木材進行彈性方面的測試研究。實驗結果表明，在含水率為4%～5% 左右時，纖維方向的動態(tài)楊氏模量值最大，半徑方向的動態(tài)楊氏模量不是最大值。為了進一步探究動態(tài)楊氏模量，1965年，京都大學農(nóng)學部的鈴木正治等研究了木材的動態(tài)楊氏模量的頻率依存性以及與蠕變的關系。在此基礎上，20世紀70年代，Pellerin和Logan研發(fā)制造了木材橫向振動彈性模量計算機，由于其測量的準確性而得到了美國木材企業(yè)及科研單位的廣泛應用。彈性模量計算機的研發(fā)對彎曲振動和扭曲振動的信號的采集起到重要作用。1988年，日本農(nóng)學博士Sobue[15]用發(fā)泡塑料小片彈性支撐木材試件的中央，通過打擊試件一角來激發(fā)起彎曲和扭轉的復合振動，由放置在試件另一端的一對微音器檢測振動，計算機處理采集到的2個信號，并從復合信號取出彎曲振動和扭曲振動的信號，將信號輸入FFT分析儀，即可求得瞬時的共振頻率值，同時確定動彈性模量E和剪切彈性模量G。

為了測得木芯的三個彈性常數(shù)，1984年，法國國家木材質量研究站的V.Bucur[16]從山毛櫸木材上選取5 mm直徑的木芯，用超聲波簡單地測量其彈性常數(shù)，并且將測試結果與靜力彎曲和橫向超聲波的標準試件作比較，對實驗結果的有效性進行了評估。分析證明了木芯與標準試件的彈性常數(shù)有很好的相關性，可以快速地檢測活體樹木個體特征的差異。

到了20世紀90年代，NDT技術隨著計算機技術的發(fā)展而不斷進步。日本學者小玉泰義[17]對日本柳杉和扁柏原木進行了用聲速來推測楊氏模量的研究。根據(jù)在一定距離上安裝的2個加速度傳感器的信號到達時間差求出彈性波傳播速度。另外，由這些試件的邊材和心材部分鋸制方材，用同樣方法測定方材彈性波傳播速度并獲得其與靜態(tài)彎曲楊氏模量的相關性，進一步研究了干燥對音速變化的影響。1991年，日本的祖夫江信夫開發(fā)了用微機和A/D板的彈性模量自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由16位的個人計算機、可裝入微型計算機內(nèi)的高速8通道模擬數(shù)學變換微型組件的A/D轉換器、接口內(nèi)置的電子天平、振動傳感器和前置放大器組成。實驗方法是打擊試件端面引起縱向共振，用傳聲器和加速度傳感器檢測振動，借助前置放大器將振動波形增幅后輸入A/D轉換器中，由電子天平稱出試件質量，根據(jù)試件尺寸、質量、固有頻率，依據(jù)縱向振動理論計算出彈性模量。為了進一步研究商業(yè)刨花板的力學特性，2005年V.Bucur[18]選用超聲波速度法，在正交各向異性的假設中進行了彈性常數(shù)的計算，使用縱向波和剪切波對試件9個方面所有剛度矩陣進行了計算，然后用計算好的剛度矩陣得出相對應的彈性模量技術參數(shù)。2006年，美國H indm an等[19]采用非標準的5點彎曲法測得的鋸材彈性常數(shù)結果與使用ASTM D 198測試標準所得的結果進行比較，發(fā)現(xiàn)測試結果誤差均在10% 以內(nèi)，說明5點彎曲法也是一個能準確且簡單測出木材彈性常數(shù)的方法，其實驗試件是以南方黃松和鵝掌楸為原材料。為進一步研究不同樹種的彈性模量，2013年，美國坎皮納斯州立大學農(nóng)業(yè)工程學院的Raquel Gon?alves[20]以柳桉，Apuleialeiocarpa和Goupiaglabra三種作為實驗樹種，將他們分別加工成圓盤、多面體和棱柱體三種幾何形狀，使用超聲波技術測得彈性模量，其結果與靜態(tài)測量值相當，但是結果取決于樣品的類型和幾何形狀，即多面體的幾何形狀表現(xiàn)出最佳的結果，而棱柱形的結果最不合適。2014年，西班牙馬德里理工大學的森林工程師José R.Aira等[21]通過用應變計測量表面變形的方法，對20 mm×60 mm×20 mm 棱柱形的歐洲赤松和對16 mm×16 mm×48 mm 的歐洲赤松的徑向和切向試件進行彈性常數(shù)測試，認為這種方法可以測定彈性模量(縱向和橫向)，但得到的平均值比軟木大。

國外的研究與國內(nèi)相比，采用了更加先進的分析儀器，并且更加詳細地對不同樹種、不同材料的木材進行了研究并得出了合理有效的數(shù)據(jù)結論。我們應該充分學習并汲取國外優(yōu)秀的研究經(jīng)驗，補充國內(nèi)研究進展的不足，希望在未來的不斷實驗研究中，可以將動態(tài)檢測材料力學性質的精度、準確度、廣泛推廣度都得到提升，使木材能夠得到更充分高效的利用。

4 結論與展望

國內(nèi)木材彈性模量無損檢測的研究成果主要有超聲波法、應力波法、振動法等。國外的研究成果主要有干燥性對彈性模量的影響、木芯與標準試件彈性常數(shù)的相關性的證明、干燥對音速變化的影響、五點彎曲法測量彈性模量等。國內(nèi)動態(tài)測試的技術雖起步較晚，但也取得了一定的進展，并一直在不斷進步。截至目前國內(nèi)外大量的實驗已經(jīng)驗證了動態(tài)測試彈性模量的可行性，由實驗數(shù)據(jù)得出，動態(tài)測試法不僅操作更簡單易行，應用更靈活廣泛，而且測試精度與傳統(tǒng)靜態(tài)測試法相比并無差入，測試精度還較高，并且可以進行自動控制。通過實驗儀器與計算機相結合的方式，能夠更加精準且直觀地分析數(shù)據(jù)。隨著動態(tài)測試法的逐步發(fā)展，未來動態(tài)測試法將會成為材料力學性能測試的主流方法。