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本论文以尾巨桉材为研究对象,深入分析了尾巨桉材弦向与径向干缩特性、干缩起始点含水率、含水率对尾巨桉材横纹弹性模量和横纹抗拉强度的影响。采用百度试验法确定了尾巨桉材的干燥基准,通过切片法分析了尾巨桉材干燥过程中含水率梯度变化,在此基础上提出了20mm厚尾巨桉材干燥基准及其优化条件。在材性分析与干燥工艺研究的基础上进一步探索了尾巨桉材指接工艺,以水性高分子异氰酸酯为胶黏剂,通过不同接合方式的对比以及相关齿型的研究,提出了尾巨桉材优化指接工艺,为尾巨桉材高附加值加工利用提供理论依据与可行的技术。研究得到如下结果:
(1)尾巨桉材试件含水率在0.20%阶段,其干缩率基本上与含水率成负相关的线性关系;在20.30%以上的含水率阶段,尾巨桉材试件的干缩率随含水率变化而缓慢变化。
(2)尾巨桉材弦、径向干缩系数分别是0.3923与0.2615;根据弦向干缩与含水率变化回归关系推算出的干缩其始点含水率为23.64%;尾巨桉材弦向干缩率计算公式为yt=-0.3923x+9.2733;尾巨桉材径向干缩率计算公式为yr=-0.2615x+5.8788。
(3)在5-26%的含水率区间内,随着尾巨桉材含水率的降低,尾巨桉材试件的横纹弹性模量与抗拉强度均呈先增加后减小的趋势。当尾巨桉材含水率为8%时,尾巨桉材弹性模量达到最大值。当尾巨桉材含水率为10%时,尾巨桉材抗拉强度达到最大值。尾巨桉材含水率与横纹弹性模量的关系为YMOE=0.1823x3-8.5063x2+97.341x+1210.4。尾巨桉材含水率与横纹抗拉强度的关系为yMOR=0.0018x3-0.1003x2+1.5936x+2.3633。
(4)百度试验结果表明:尾巨桉材的主要干燥缺陷是开裂和变形。初期开裂的等级为4级,内裂为4级,截面变形的等级为4级,其中通过CAD方法测定的皱缩因子较为严重,达到4级,干燥速度较快,从30%到5%平均需18h,属于3级。
(5)在窑干试验中,干燥初期尾巨桉材表层含水率迅速降低到纤维饱和点以下。在干燥过程中尾巨桉材表层的含水率一直低于内层含水率,在181h后尾巨桉材含水率梯度达到最大值6.38%,此时尾巨桉材表层含水率为35.5%。在接近终含水率时,尾巨桉材表、芯层含水率较为一致。调湿处理能使尾巨桉材表层吸湿,减小尾巨桉材厚度方向上的含水率梯度。干燥初期尾巨桉材干燥应力迅速发展,在尾巨桉材的平均`含水率为27.5%时达到临界值的94.4%。在干燥前期尾巨桉材干燥应力在40-70%临界应力的范围里波动;在干燥的中期与后期尾巨桉材干燥应力保持在50%临界应力以下。 (6)根据尾巨桉材应力应变的发展状况,对由百度试验法得出的尾巨桉材干燥基准进行了优化,认为在干燥前期应该防止尾巨桉材干燥应力的发展过快,采取较软的干燥基准与进行适当的调湿处理,在干燥中期为防止尾巨桉材后期干燥表面硬化的产生,也应该调湿处理;在干燥的中、后期,因为尾巨桉材表层的干燥应力处于较低的水平,因此可以采用较硬的干燥基准。在干燥后期应对尾巨桉材进行较长时间的平衡处理,以减少尾巨桉材的残余干燥应变。
(7)采用“气干-窑干”联合干燥工艺干燥尾巨桉材。气干尾巨桉材含水率从117.97%到35.31%共用去201h,而在窑干试验中,尾巨桉材含水率从118.97%到35.5%共需要181h,所用时间相差不大。在气干过程中,尾巨桉材含水率梯度很小以至可以忽略,干燥应力相应较小,在气干终含水率35.5%时,尾巨桉材截面变形量达到最小值0.22mm。
(8)在指接接合方式中,依平接、单榫、水平二榫、对角二榫、指接为序,尾巨桉集成材抗弯强度呈逐渐增加的趋势。对角二榫距离对尾巨桉榫接长条横纹抗弯强度的影响显著,尾巨桉榫接长条横纹抗弯强度随着对角二榫距离的增加而增加。对角二榫集成材的横纹抗弯强度可达到28.46MPa,超过指接材行业标准的要求。
(9)指接斜度与齿长对尾巨桉集成材抗弯强度的影响不明显;齿间隙对尾巨桉集成材抗弯强度的影响显著。随着齿长的增加,尾巨桉集成材抗弯强度先稍微减小后快速增大,当齿长为30mm时,抗弯强度平均达到40.69MPa。随着齿间隙的增加,指榫斜面的相互挤压减小,尾巨桉集成材抗弯强度呈减小趋势。当斜度从60°增加到90°时,由于指接集中点分散在不同的截面上,胶合面积增大,对应的尾巨桉集成材抗弯强度增大。指接斜度、齿长与齿间隙的最优化组合分别是60°、12mm与1mm。
(10)H型齿指接材由于指肩面积较小,其抗弯强度与弹性模量均大于V型齿指接材。而且H型齿的未破坏率高于V型齿的未破坏率,说明H型齿的承载能力高于V型齿的承载能力。