基于應(yīng)力波的活立木力學(xué)特性無損檢測研究進(jìn)展

張婉婷，王立海

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

進(jìn)入21世紀(jì)以后，社會經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展的同時也刺激了人們的物資消費觀念，當(dāng)前的木材供應(yīng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們?nèi)找嬖鲩L的生活需求。如何針對現(xiàn)有的木材資源提高木材的利用效率，成為國家林業(yè)部門研究人員需要急需解決的問題和難題。而利用木材檢測使木材的用途多樣化，是非常實用的一個方法。通過木材檢測不僅可以提高立木的成活率同時也可以降低生產(chǎn)成本，不僅具有一定的理論研究意義同時還具有可觀的經(jīng)濟(jì)價值[1]。傳統(tǒng)的活立木木材檢測主要是借助于在樹干上打洞的方法來確定活立木材質(zhì)。采用這種方法不僅會對樹本身造成傷害，而且還會使樹木受到真菌感染，導(dǎo)致樹木生長緩慢。無損檢測(Non-destructive Testing)則克服了這一缺點，尤其是應(yīng)力波無損檢測技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用于活立木的材質(zhì)預(yù)測和內(nèi)部腐朽缺陷檢測[2-9]。本文介紹了應(yīng)力波無損檢測的原理以及研究進(jìn)展，分析了影響應(yīng)力波在活立木中傳播的因素，闡述了基于應(yīng)力波技術(shù)的木材力學(xué)特性檢測的現(xiàn)狀和意義，并針對其存在的問題提出了幾點建議。

1 應(yīng)力波無損檢測原理

將應(yīng)力波無損檢測方法應(yīng)用到木材領(lǐng)域源于1959年Jayne[10]提出的假說。應(yīng)力波在木材中的傳播形式主要有軸向波、橫向波和表面波3種，其中軸向波傳播速度非常迅速，而且所產(chǎn)生的波速對木材的本質(zhì)傳遞速度非常快，所以通過軸向波檢測完成木材質(zhì)量的評估是最常用的一種方法。使用應(yīng)力波技術(shù)對木材力學(xué)特性進(jìn)行無損檢測的原理是：木材由于沖擊力帶來的波感，在木材中也會出現(xiàn)同樣的波感，根據(jù)木材的彈性模量E，應(yīng)力波速度C和木材密度ρ之間的關(guān)系：E=C2ρ，因此采用應(yīng)力波技術(shù)對木材力學(xué)特性進(jìn)行檢測其實主要是通過測量應(yīng)力波的波速來完成的。

應(yīng)力波無損檢測技術(shù)是近些年來發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，被廣泛的應(yīng)用于立木、原木的力學(xué)特性評估、內(nèi)部缺陷檢測以及古代木結(jié)構(gòu)建筑的無損檢測。這主要是因為應(yīng)力波相對于其它無損檢測方法具有以下特點[11-16]，見表1。

表1 應(yīng)力波無損檢測技術(shù)的特點

2 基于應(yīng)力波的活立木力學(xué)特性檢測研究動態(tài)

2.1 應(yīng)力波檢測活立木力學(xué)特性的研究進(jìn)展

利用應(yīng)力波技術(shù)評價木材質(zhì)量起于20世紀(jì)50年代，國外一些發(fā)達(dá)國家相繼開展了對應(yīng)力波的研究，通過應(yīng)力波技術(shù)達(dá)到評估木材質(zhì)量的目的[17]。在對活立木應(yīng)力波的傳播速度與木材的強(qiáng)度、剛度和含水率等關(guān)系的研究中，Xi ping Wang[18]組成的研究小組對168棵鐵杉和云杉進(jìn)行了剛度和強(qiáng)度的檢測研究，經(jīng)過一系列試驗發(fā)現(xiàn)，通過應(yīng)力波技術(shù)能夠完成活立木力學(xué)特性的預(yù)測，同時還可以通過應(yīng)力波檢測到木材自身出現(xiàn)的變化。2002年Shih-Yin Wu[19]科研小組發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力波法可以實現(xiàn)活立木質(zhì)量的預(yù)測，同時在試驗中還發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波檢測法具有較強(qiáng)的傳播能力。2005年 Pilon[20]利用60棵紅松、115棵黃松作為研究對象，利用兩種設(shè)備進(jìn)行檢測，一種設(shè)備是實驗室的檢測裝置，一種是在市場上購買的Director ST300檢測設(shè)備。通過這兩種檢測方式進(jìn)行試驗以后，接著對得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，最終得知Director ST300可以用于活立木的檢測，并且取得了詳細(xì)的數(shù)據(jù)，建立了基于應(yīng)力波技術(shù)的活立木應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。林蘭英[21]等以4種人工林桉樹板材為試驗對象，分別采用應(yīng)力波、超聲波和FFT分析法檢測四種試驗?zāi)静牡膭討B(tài)彈性模量，結(jié)果表明這3種方法都可以較為快速的預(yù)測木材的彈性模量。羅彬[22]等運用縱向基頻振動、應(yīng)力波以及超聲波3種方法對巨尾桉無疵小樣進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度性質(zhì)預(yù)測，試驗表明用3種方法獲得的靜態(tài)彈性模量和動態(tài)彈性模量均在0.001水平上顯著相關(guān)。眾多的研究試驗表明，應(yīng)力波無損檢測技術(shù)可以對木材力學(xué)特性進(jìn)行估計[23]。

2.2 影響應(yīng)力波在活立木中傳播的因素研究

應(yīng)力波在木材中的傳播是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，并且受到很多因素的影響，主要包括以下幾個方面：①木材的性質(zhì)；②木材的微觀結(jié)構(gòu)；③木材的含水量；④木材的缺陷；⑤木材的形態(tài)?，F(xiàn)有研究表明：第一，水分是造成木材性質(zhì)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素，Wang[24]通過對白楊與紅松的內(nèi)部水分進(jìn)行了研究，研究結(jié)果是含水率低于纖維飽和點(約為32%)的時候，含水率升高動彈性模量就會降低，當(dāng)其內(nèi)部含水率大于纖維飽和點的時候，應(yīng)力波傳播速度放慢，動彈性模量基本沒有變化。第二，生長速率也對應(yīng)力波和活立木性質(zhì)有一定的影響。應(yīng)力波和樹木的成長有著非常緊密的關(guān)系，雙方處于相輔相承的狀態(tài)。第三，活立木表面對應(yīng)力波的檢測也會產(chǎn)生不同效果，假如活立木表面不是很光滑或者很平整的話，那么選取的抽樣就必須是2～3個側(cè)面，最終確定平均值。第四，營林措施對活立木性質(zhì)以及應(yīng)力波傳播速度也有一定的影響。為了取得更為科學(xué)合理的試驗數(shù)據(jù)，美國將168棵鐵杉作為研究對象進(jìn)行檢測，通過檢測得出結(jié)果，由于活立木檢測方式的不同，對于整個林地的生物數(shù)據(jù)控制方式也不同，同時還可以改變木材生長結(jié)構(gòu)。由此得知，應(yīng)力波檢測與人們的砍伐次數(shù)有著很直接的關(guān)系。與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國開展應(yīng)力波的檢測研究還處于初級階段，但是也取得了比較明顯的成果，不僅研究出了砍伐次數(shù)和活立木生長之間的關(guān)系，同時也對林木的種植，砍伐時間提供了參考依據(jù)[25]。雖然對與活立木有關(guān)的其他因素還沒有進(jìn)一步開展研究，不過對于應(yīng)力波的檢測技術(shù)試驗也是下一步主要攻克的方向。

3 基于應(yīng)力波的活立木力學(xué)特性季節(jié)動態(tài)變化檢測

3.1 木材力學(xué)特性變化的原理

木材屬于變化性很強(qiáng)的非人工高分子材料，它的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)形態(tài)各異，并且與林木所處的環(huán)境有著很為密切的關(guān)系。因此可以得出，木材的質(zhì)量不僅與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)系，同時也與木材內(nèi)部的水分，外界環(huán)境的氣候和森林覆蓋率有著很緊密的聯(lián)系。

木材含水率對木材力學(xué)性質(zhì)的影響，是指纖維飽和點以下木材水分變化時，給木材力學(xué)性質(zhì)帶來的影響。木材內(nèi)部的水分處于纖維飽和點下，表現(xiàn)出來的強(qiáng)度將會隨著內(nèi)部水分的降低而升高，當(dāng)木材內(nèi)部水分增多時，這時候表現(xiàn)出來的則是木材纖維素的增多，主要原因是木材纖維分子增多。當(dāng)木材內(nèi)部水分比纖維點高的時候，那么其表現(xiàn)出來的強(qiáng)度就不會再發(fā)生變化。

對于木材物理性質(zhì)來講溫度起到的作用非常重要。通常情況下，因為室內(nèi)溫度比較均衡，因此產(chǎn)生的影響不大。不過，在溫度相差較大的情況下，就會產(chǎn)生很大的影響。溫度升高的時候，會造成木材內(nèi)部水分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時也會給木材內(nèi)部造成干枯現(xiàn)象并對木材的強(qiáng)度有直接影響，主要原因在于熱促使細(xì)胞壁物質(zhì)分子運動加劇，內(nèi)摩擦減少，微纖絲間松動增加，造成木材強(qiáng)度萎縮。由此可見，木材的質(zhì)量與溫度有著很直接的關(guān)系，溫度在-20℃造成的結(jié)果是：木材內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于固態(tài)，木材的韌性發(fā)生很大變化，當(dāng)溫度上升的時候其形態(tài)也逐漸由固定轉(zhuǎn)向液態(tài)。當(dāng)木材溫度降低的時候，木材中包含的水分就轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的冰，促進(jìn)木材強(qiáng)度的提升[26]。

3.2 基于應(yīng)力波的活立木力學(xué)特性季節(jié)動態(tài)變化檢測

木材力學(xué)特性季節(jié)動態(tài)變化檢測可以動態(tài)監(jiān)測活立木的質(zhì)量，提高木材的利用率，并且為確定采伐作業(yè)的時間提供了依據(jù)。由于木材的密度、溫度和含水率隨季節(jié)變化而變化，所以木材的力學(xué)特性會隨著季節(jié)變化而呈現(xiàn)動態(tài)改變。

早在1964年，comben[27]在研究木材強(qiáng)度和彈性與溫度之間的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)：溫度由17℃降到-73℃時，12%含水率的木材的彈性模量增加了32%，飽和纖維木材的彈性模量增加了78%，而將木材有23℃加熱到55℃時，木材的彈性模量并沒有發(fā)生明顯的變化。Green和Evans[28]檢測了在-26～66℃溫度范圍內(nèi)的溫度對干、鮮木材的彈性模量的影響時得出：無論干木材還是鮮木材的彈性模量都隨溫度的降低而升高；對于鮮材，在0℃附近彈性模量有明顯的轉(zhuǎn)折。

溫度和含水率是影響木材的抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度及順紋抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能和應(yīng)力波傳播速度的兩個重要因素[29-30]。隨溫度降低，各力學(xué)指標(biāo)及應(yīng)力波傳播速度均在逐漸增大。不同溫度時，木材中應(yīng)力波傳播速度隨含水率增加均在逐漸下降。其中，在纖維飽和點(約為32%)以下，隨著含水率增大傳播速度下降幅度比較大；而在纖維飽和點以上，下降幅度逐漸趨于平緩。當(dāng)木材含水率不同時，應(yīng)力波傳播速度隨溫度下降呈逐漸上升趨勢。其中，含水率低于50%時，傳播速度隨溫度下降呈線性上升趨勢，在0℃附近變化的趨勢是連續(xù)的；而含水率高于50%時，傳播速度在0℃上下有較明顯的跳躍，這主要是由于木材中大量自由水發(fā)生相變引起的。當(dāng)然根據(jù)樹種的不同，樹木生長環(huán)境的不同，活立木的力學(xué)特性的改變也會有所不同。

樹木在冬季低溫、干旱的環(huán)境下停止生長，處于休眠狀態(tài)，其含水率和密度相對于常溫情況有很大的不同，對木材的力學(xué)特性也有很大影響。冰點以下，木材的動彈性模量和靜彈性模量受溫度的影響比較顯著，含水率越高，彈性模量相對于常溫狀態(tài)下的變化越明顯；冰點以上，木材的動彈性模量和靜彈性模量受溫度的影響不明顯。凍結(jié)狀態(tài)下應(yīng)力波的傳播速度普遍高于常溫狀態(tài)400～600 m/s，且二者之間存在比較強(qiáng)的線性關(guān)系，隨著常溫條件下應(yīng)力波傳播速度的提高，其凍結(jié)狀態(tài)下的傳播速度呈上升趨勢，且相關(guān)系數(shù)在0.8左右；凍結(jié)狀態(tài)下的木材順紋動彈性模量平均高于常溫狀態(tài)46%，徑向的動彈性模量平均高于常溫狀態(tài)76%；應(yīng)力波的縱向傳播速度主要受含水率的影響，二者呈負(fù)相關(guān)；通常處于溫度較低的情況下，木材吸收的水分保持在纖維點，由于水分的作用促進(jìn)了應(yīng)力波的傳播速度，一般數(shù)值為0.8上下。不過溫度處于常溫的時候，木材吸收的水分保持在纖維點上，沒有明顯的變化。主要原因處于較低溫度的時候，水分一般都以結(jié)晶的形式儲存在木材內(nèi)部，木材本身有細(xì)微的變化，比如說細(xì)胞的成分有所提升等，這些因素都會促進(jìn)應(yīng)力波傳播速度的加快，造成這種情況的方式還需要進(jìn)一步試驗。除以此外，不管是處于固態(tài)還是液態(tài)的情況下，水分對于應(yīng)力波的傳播速度沒有較大的改變[31]。通過比較研究發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)狀態(tài)下木材的剛性和硬度較好，抗形變能力強(qiáng)。

活立木力學(xué)特性季節(jié)動態(tài)變化檢測有很重要的意義。應(yīng)力波無損檢測活立木力學(xué)特性雖然已經(jīng)有了許多的成果，但是對活立木在不同季節(jié)力學(xué)特性的動態(tài)變化檢測還缺乏系統(tǒng)全面的研究，所以還有待進(jìn)一步的研究，為合理規(guī)劃采伐作業(yè)時間提供有效的依據(jù)。

4 應(yīng)力波檢測活立木性質(zhì)存在的問題和建議

4.1 應(yīng)力波檢測活立木性質(zhì)存在的問題

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，雖然應(yīng)力波無損檢測已經(jīng)過了多年的研究發(fā)展，取得了很多成果，但還存在著一些問題：

(1)活立木的立地生境、木材特性、樹種、生長地區(qū)等對應(yīng)力波的測試有一定的影響。

(2)活立木的力學(xué)特性會隨著季節(jié)而發(fā)生動態(tài)變化，目前還沒有建立相應(yīng)的基于應(yīng)力波的活立木力學(xué)特性檢測模型，使之能夠適應(yīng)這種動態(tài)變化。

(3)使用應(yīng)力波對活立木進(jìn)行檢測的理論模型、質(zhì)量預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)等都還需要做比較深入的研究。

4.2 進(jìn)一步研究的建議

通過對目前應(yīng)力波檢測技術(shù)存在的問題進(jìn)行分析，提出以下幾點建議：

(1)進(jìn)一步研究應(yīng)力波在木材中的傳播機(jī)理，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

(2)隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法的引入，提高對較小木材檢測的精確度。

(3)以活立木在不同溫度和含水率的條件下力學(xué)特性的變化為依據(jù)，建立一個適應(yīng)不同季節(jié)活立木力學(xué)特性檢測的系統(tǒng)，對活立木在不同季節(jié)的力學(xué)特性進(jìn)行實時跟蹤。

(4)建立不同地域、不同樹種的活立木應(yīng)力波傳播速度數(shù)據(jù)庫，作為應(yīng)力波檢測和評價活立木質(zhì)量的依據(jù)，應(yīng)用于森林培育、撫育、采伐及木材加工等領(lǐng)域。

5 結(jié)束語

木材是具有變異性的天然高分子材料，其結(jié)構(gòu)導(dǎo)致木材的力學(xué)性質(zhì)是各向異性的，并且受溫度、含水率等的影響，所以對活立木的力學(xué)特性進(jìn)行檢測是十分必要的。利用合理有效的木材檢測技術(shù)可以辨別不同木材的性能和品質(zhì)，減少木材的浪費，也有助于減少未成品木材的亂砍濫伐。木材力學(xué)特性季節(jié)動態(tài)變化檢測可以動態(tài)監(jiān)測木材的質(zhì)量，提高木材的利用率，并且為合理規(guī)劃采伐作業(yè)的時間、原木分級和木材高效利用提供了依據(jù)。

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