人造板弹性模量检测方法及其研究现状

人造板弹性模量检测方法及其研究现状
祖汉松1,
张厚江1,贺昌勇1,
周卢婧1,赵生贵2
(1.北京林业大学工学院,北京100083;2.黑龙江省绥化复合板厂,黑龙江绥化152071)
摘
要:弹性模量是人造板重要的力学性能指标之一,它是表征人造板刚度性能的重要指标,与其他的力学指
标也有密切的关系,直接影响人造板的使用。

对国内外人造板弹性模量的检测方法及其研究现状进行了归纳总结,指出振动、应力波、机械应力等无损检测方法是今后发展方向之一。

关键词:人造板;弹性模量;检测方法;无损检测中图分类号:TS 612
文献标识码:Ａ
文章编号:2095-2953(2014)01-0013-04
Detection Methods and Research Status of Modulus of Elasticity of Wood-based Panels
ZU Han-song 1,ZHANG Hou-jiang 1,HE Chang-yong 1,ZHOU Lu-jing 1,ZHAO Sheng-gui 2
(1.School of Technology,Beijing Forestry University,Beijing 100083,China;2.Heilongjiang Suihua Wood -based Panel
Factory,Suihua Heilongjiang 152071,China )
Abstract :Mo dulusof e la s ticity (MOE )is o ne o f the m o s t im po rta nt m e cha nica l pro pe rty indica to rs o f w oo d-ba s e d pa ne ls a nd it is a n im portant indica to r repre s e nting s tiffne s s pe rfo rm a nce o f wo o d-ba s e d pa ne ls ,clo s e ly relate d to othe r m e cha nica l pro pe rty pa ra m e te rs ,dire ctly influencing the us e o f wo o d-ba s e d pane ls .The de te ction m e tho dsand re s e a rch s ta tus of MO E o f do m e s tic a nd fo re ig n wo o d-ba s e d pa ne lsare s um m ariz e d,po inting out tha t s uch non-de s tructive te s ting m e tho ds a s vibra tio n,s tres swa ve ,m achines tre s sa reo neo f thede ve lo pm e nt dire ctionsin future .Key words :wo o d-ba s e d pa ne ls ;MO E;dete ctio n m e thod;no n-de s tructivete s ting
人造板是采用木材或是其废料作为主要原料,通过机械加工、物理化学处理得到的具有木材基本特征的木质材料[1],主要包括胶合板、刨花板、中密度板三大
类产品。

人造板生产在过去的几十年里取得了很大的成就和进步,木质人造板作为一种新的木质工程材料出现在我们生活中,在建筑、包装、家具等领域发挥着越来越大的作用[2]。

为了能高质量地生产和正确使用人造板,必须确切掌握人造板的物理力学性能及其检测技术。

弹性模量是人造板重要的力学性能指标之一,也是表征人造板刚度性能的重要指标,且与其他的力学指标密切相关,直接影响人造板的使用性能[3]。

本文对
国内外人造板弹性模量的检测方法及其研究现状进行归纳总结。

1我国的人造板力学性能检测方法
对于不同品种及厚度的人造板,国家标准中都规定
了其力学性能的检测方法。

相同的是在待检测的成品人造板上截取小试件,测定小试件的各项力学性能,其中弹性模量与静曲强度的测定方法是把小试件放在万能力学实验机上进行破坏性的加载试验来得到相关参数值,并以小试件的力学性能表征人造板的力学性能。

不同的是在国家标准中规定不同的人造板截取试件的位置、尺寸、数量不同。

对于人造板生产企业出厂检验,则是在此之前需要在整批的足尺人造板材上首先取出一定数量的样板,借由样板的力学性能判断整批的人造板材是否合格。

收稿日期:2013-10-28
基金项目:林业公益性行业科研专项(201304512)第一作者简介:祖汉松(1989-),男,北京林业大学硕士研
究生,从事无损检测工作
第42卷第1期
林业机械与木工设备
Vo142No.12014年1月
FORESTRY MACHINERY &WOODWORKING EQUIPMENT
Jan.2014
综述
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根据GB/T 17657-1999,人造板的静态弹性模量按
式(1)计算。

E b =l 3
4bt 3×Δf
Δs
(1)
式中:E b 为人造板的静态弹性模量(MPa);l 为两支座间
的距离(mm);b 为人造板宽度(mm);t 为人造板厚度(mm);Δf 为载荷的增加量(N);Δs 为在力f 2-f 1区间人
造板中部的变形量(mm)[4]。

静曲强度和弹性模量测定示意图如图1所示。

图1
中,1为试件;F 为载荷;t 为试件厚度。

l 1≥20t;l 2=l 1+50;t ≤6,ϕd 1=ϕd 2=10±0.5t 1>6,ϕd 1=30±0.5,ϕd 2=15±0.5
2美国的人造板弯曲性能检测方法
美国的ASTM D3043标准规定的人造板材的弯曲
检测方法主要有四种[5]:①中心点弯曲检测;②两点弯
曲检测;③纯弯曲检测;④四点弯曲检测。

其中第一、二、四种检测方法都规定了检测的试件是小试件。

足尺的人造板采取纯弯曲的检测方法测量,原理是通过在板材的两端直接施加等量的扭矩,施加扭矩的框架互相间可以自由移动这样就可以避免由于大的变形产生的轴向力。

纯弯曲检测需要特别的装置,如图2所示,在人
造板两侧通过一个可以自由移动的框架实现纯弯曲。

Wilson 和Parasin 等[6]通过ASTMD3043纯扭矩弯
曲试验设备对宽度为300mm 和900mm 的胶合板弹性模量和静曲强度进行了测试试验,通过比较试验数据发现,300mm 宽板材的MOR 和MOE 值比900mm 宽板材的MOR 和MOE 值低7%;Szabo 通过试验对比宽度为610mm 和1220mm 的刨花板MOE 和MOR,发现它们的值之间没有差别。

Hanley 等[7]通过实验对比了厚度为16mm 和19mm 商用结构刨花板中间加载强度试验,大板材的尺寸为1500mm×900mm 或1800mm×900mm,小板材的尺寸为304mm×100mm 或354mm×100mm,通过对比试验结果
得出结论:小板材的MOR 平均比大板材提高30%,但是MOE 平均降低了10%,Bach 计算了通过MSR 设备测得的人造板的刚度EI MSR 与板的刚度EI PF 以及与由
ASTM 纯弯曲法测得的最大扭矩M MAX 之间的线性相关
关系:EI PF =0.06+1.03EI MSR ,r 2=0.980,M MAX =399+360EI MSR ,r 2=0.843。

大板材与小板材的弯曲对比试验表明,大板材刚度值较大、弹性模量值较小。

J.Dobbin McNatt 等[8]通过纯扭矩弯曲测试试验对
比300mm×1000mm 的板材和小试件试验结果。

小试件测得的MOE 值较小,但MOR 值比大板材的MOR 值大,这与之前学者获得的测试结果类似;并提出在工厂可以利用小试件(SS )质量控制测试,预测大板材的纯扭矩PF 测试所期望得到的弯曲强度值和刚度值,它们之间的线性相关关系为:MOE PF =-28+1.26MOE SS ,r 2=0.98;MOR PF =734+0.57MOR SS ,r 2=0.87。

3
振动检测方法
振动检测法属于无损检测法的一种,早期主要应用
于机械工程和工程结构领域。

近年来国内外学者在木质材料的振动特性与其力学性能的关系研究方面也有了很大的进展,因此振动法逐渐成为一种重要的木质材料无损检测方法。

振动检测法主要用于测量木质材料的动态弹性模量,但大量研究表明,木质材料的动态弹性模量与静态弹性模量及强度之间具有显著的线性相关关系[9-10]。

系统在振动时,振动特性的固有频率等特性参数与弹性模量相关,振动法测定物体的动态弹性模量依赖于木质材料的自然频率、密度及试件尺寸
等参数。

振动法测试主要包括纵波传递法、纵向共振法、弯曲振动法、表面波传播法四种。

胡英成等[11]通过表面波传播法和弯曲振动法对胶合板的动态剪切弹性模量进行了无损检测研究,首次提出了采用表面波传播法来测定人造板的动态剪切弹性模量。

结果表明,采用表面波传播法对胶合板的剪切F
ϕd 2
ϕd 1
l 1
1
l 2
l 1/2
图1静曲强度和弹性模量测定示意图
图2ASTM D3403方法C 中规定的纯扭矩弯曲测试设备简图
D
θ1
θ2
L
S
ρin
ρin
αθ1+θ2
Lo adingFra ma s
Re fe ra mce Re d
Re to tio n
Ga g e t M
林业机械与木工设备
14第42卷
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弹性模量与弯曲振动剪切弹性模量测定,当纤维纹理角θ为0°和90°时,两者的差异不大;当θ=45°时,两者的差异很大。

并且通过理论计算论证了表面波传播法检测剪切弹性模量的准确性,从而认为表面波传播法更适用于检测人造板的动态剪切弹性模量,并成功地采用表面波传播法解决国内外对于纤维倾斜角45°方向上胶合板动态剪切弹性模量的无损检测问题。

他们还通过纵波共振试验和弯曲共振试验对刨花板的抗弯弹性模量进行了测定,并通过试验结果对刨花板面外弯曲振动抗弯弹性模量E1与纵波共振抗弯弹性模量
Ep进行回归分析,得到线性回归方程Ep=0.7745E1-0.0731,R=0.9604>R10.0.05=0.576,回归效果显著,二者具有密切相关性。

对刨花板面内弯曲振动抗弯弹性模量E2与纵波共振抗弯弹性模量Ep进行回归分析,得回归方程Ep=1.0561E1+0.0374,R=0.9776>R10.0.05=0.576,回归效果显著。

对刨花板外面弯曲振动抗弯弹性模量E1与纵波传播抗弯弹性模量Ev进行回归分析,得到线性回归方程Ev=1.0908E1+0.0493,R=0.9422>R10.0.05=0.576,回归效果显著。

对刨花板面内弯曲振动抗弯弹性模量E2纵波传播抗弯弹性模量Ev进行回归分析,得到回归方程Ev=1.4227E2+0.3591,R=0.9174>R10.0.05=0.576,回归效果显著。

刨花板属于非均质材料,表面材料和芯层材料的差异会造成刨花板断面内的不均匀性,由于测定方法的振动原理不尽相同,所以导致上述两种方法测得的动态抗弯弹性模量有一定的差异,但它们之间存在较密切的相关性[12]。

池德汝等[13]为构建人造板力学性能的无损检测研究系统,采用振动无损检测方法,以纤维板梁作为试验材料,将被测试件以悬臂梁的方式装夹,采用锤击法进行单点激振和单点拾振的频率响应函数测试,通过固有频率测定了纤维板的动态弹性模量E d。

按照国标GB/ T17657-1999在木材万能力学试验机上测取了其静态弹性模量E s,得到线性回归方程E d=1.0335E s-0.13394,其相关系数r=0.9838>r33,0.05=0.334。

结果表明,采用振动法测量纤维板弹性模量的精度高,动弹性模量与静弹性模量密切线性相关。

4应力波无损检测法
应力波[14]是指物质受到撞击后,通过内应力作用产生的可在物质内传播的机械波。

利用应力波对人造板进行检测是基于纵向应力波通过被测人造板的速度与被测人造板密度、弹性模量等物理关系建立起来的无损检测方法。

王志同等[15]通过现代电子技术测定波速的方法,研究了中密度纤维板弹性模量与密度及应力波在中密
度纤维板内波速之间的关系。

试验试件加工按照GB11718.3-89标准规定的长度为板厚度的15倍再加50mm,但不小于200mm,宽度为50mm。

应力波传播时
间测试是在需要测定部位的两端分别安装一个3021型高灵敏度加速度传感器来检测传经该处波的时间,通过经硬化处理的钢球冲击摆来激发应力波。

试验数据表明:对于中密度板纤维板,采用应力波无损检测法测定的弹性模量与国家标准破坏性试验测得的弹性模量之间存在着显著的相关关系,并通过线性回归方法研究了他们之间的相关性,确定了弹性模量(E)与波速(C)及试件密度(ρ)之间的关系式为E=C2ρ,该式可用于中密度纤维板应力波非破损测试时计算弹性模量。

应力波无损检测法测定的弹性模量与国家标准破坏性试验测定的弹性模量之间存在着显著的相关关系,使中密度纤维板的在线产品质量检测成为可能。

5机械应力检测法
机械应力检测法[16]是通过机械应力测定设备,采用机械方法在人造板上施加恒定的载荷,通过测得其相应的载荷或变形,由计算机通过相应公式计算出弹性模量和静曲强度。

检测原理主要分为两大类:一类是施加恒定力于被测试件,测定试件的弯曲变形值,然后计算弹性模量;另一类是施加恒定变形于被测试件,测定所需施加的力,然后计算弹性模量。

张宏健等[17]采用机械应力法对原料为西南桦、云南松、铁杉的混合刨花板进行测试试验。

通过测试试验曲线发现,由于木质材料的弹塑性,刨花板的弯曲变形段的应力、应变关系并非呈直线关系,并且由于刨花板内部的胶黏剂作用,刨花板的疲劳段极短[18]。

通过该试验分别研究了试件宽度对MOE的影响和MOE与MOR 之间的关系,通过试验分析得出:试件宽度对MOE无显著影响,通过对生产线上大幅面成品板的MOE实时检测可以获得同一板材的MOE数据,并且刨花板的MOE与MOR之间存在着一定正相关,符合一般人造板静曲弹性模量与静曲强度之间的关系[19]。

2001年,南京林业大学与江苏省金坛市正达机械有限公司合作,对人造板在线无损检测理论进行立项研究,历经5年时间,成功研制出TMJ-A人造板弹性模量显示机。

该设备检测的人造板材尺寸范围是:宽度30~1300mm、长度1200~2500mm。

TMJ-A人造板弹性模量显示机的检测原理是在人造板材的几何中心加载,通过位移传感器反馈的位置变化,即人造板材的挠度,代入人造板弹性模量计算公式MOE=14ΔPΔf L3bh3,然后计算出人造板的弹性模量。

TMJ-A人造板弹性模量显
祖汉松,等:人造板弹性模量检测方法及其研究现状15第1期
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示机采用PLC (可编程控制器)与工控计算机结合,可以对检测过程进行全自动控制,能实时显示被测板件的参数和测试数据,并具有测试数据自动整理、保存和打印功能;还可以对不同规格板件的厚度和弹性模量进行在线检测,并可在必要时测定试件的静曲强度。

该设备主要应用于集装箱底板(或基板)的检测,也可用于其他结构人造板的测试[20]。

6结束语
国家标准规定的人造板弹性模量检测方法是根据
产量,抽取一定比例的成品板材,并根据产品的不同厚度加工裁成国标试件,通过在万能力学试验机上进行试验来测得板材的弹性模量。

虽然检测结果准确,但这种检测方法是破坏性的,且经过破坏测试后的试件已经失去了原有的使用价值。

同时这种方法是采用抽样的方法来对生产的产品进行检测,不能保证所生产的每一块人造板的力学性能都合格,并且从样品抽样到试验试件加工检测耗时较长,条件比较苛刻,不适合在生产线上对生产出的产品进行逐一快速有效的检测。

而人造板无损检测是一项综合性的科学技术,可以在不破坏人造板的前提下,对其力学性能进行快速有效
的检测,测量时间短,方法简便,而且不破坏材料的使用性能,易实现实时在线检测。

振动、应力波、机械应力等无损检测方法克服了传统检测方法的缺点,人造板无损检测在保证检测结果的同时保持了人造板的原有特性,这些方法也是主要发展方向。

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(责任编辑王琦)
林业机械与木工设备
16
第42卷
2013全国欧式实木门窗制造技术与刀具研讨会召开
2013年11月16~17日,“2013全国欧式实木门窗制造技术与刀具研讨会”在南京林业大学南林大厦召开。

会议由南京林业
大学曹平祥教授主持。

共有相关科研院校的70多位专家教授,木门窗及其设备、刀具和软件的企业代表参加了会议。

姚永和副会长代表中国林业机械协会参加了本次会议并致辞。

近年来,我国欧式实木门窗发展迅速,与之密切相关的制造技术、装备与刀具也步入快速发展时期,而我国的相关技术、装备、刀具与发达国家相比还存在一定的差距。

为了提高我国欧式实木门窗制造技术与刀具技术水平,会议专门邀请行业内专家就现代木窗加工制造技术、欧式实木门窗CNC 加工技术与设备、欧式实木门窗加工设备刀轴配置与刀具设计、欧式实木门窗刀具系统与制造管理软件、新型木工刀具结构及应用等方面进行了演讲。

本次会议由中国林业机械协会林业工具和木工刀具专业委员会、南京林业大学材料科学与工程学院主办,天津林业工具厂协办。

中国林业机械协会林业工具和木工刀具专业委员会2013年年会也在同期召开。

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