沙柳材物理力學(xué)特性測定與分析*

張少勇 劉志剛 裴承慧 段明澤 劉鵬飛

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，呼和浩特 010051）

沙柳是沙生灌木植被的典型代表，是我國西北地區(qū)防風(fēng)固沙的主要植被[1-3]。沙柳有平茬復(fù)壯的生物習(xí)性，否則不到7 年就會變成枯枝[4-6]。但是如果平茬出現(xiàn)茬口灼傷和死皮撕裂現(xiàn)象，就會影響來年沙柳的發(fā)芽率，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是鋸切參數(shù)不合理[7-9]。國內(nèi)外通過有限元仿真模擬的方法對圓鋸片結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進行優(yōu)化[10-14]，而鋸切材料的物理力學(xué)特性是有限元仿真的基礎(chǔ)。國內(nèi)外專家學(xué)者測定了各類木材的物理力學(xué)特性[15-19]。本文通過試驗研究沙柳材物理力學(xué)特性，為有限元鋸切仿真提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料

沙柳(Salix mongolica)。為使試驗數(shù)據(jù)符合大部分沙漠的情況，使試驗更具可靠性，在庫布齊沙漠進行試材的采集。按照相關(guān)標準，采集了生長年限為5年的沙柳；選擇膝徑（距地面0.5 m處灌木材的直徑)大于12 mm，枝條通直，無傷疤，無側(cè)條的沙柳作為試驗用材。

1.2 設(shè)備

試驗主要設(shè)備與儀器：DYSY-8000W微機水分測定儀(鶴壁電子研究所),WDW-200 微機控制電子萬能力學(xué)試驗機(山東萬辰試驗機有限公司)。

1.3 試驗方法

1.3.1 含水率檢測

含水率是沙柳材的一個重要物理力學(xué)特性指標，不同含水率下有不同的力學(xué)性能[20-22],因此在進行拉伸、壓縮等各種力學(xué)性能測試之前，先測定沙柳材的含水率。含水率測定參照LY/T2369—2014《沙生灌木物理力學(xué)性能測試方法》和GB/T1931—2009《木材含水率測定方法》進行。

1.3.2 拉伸強度檢測參照GB/T1938—2009《木材順紋抗拉強度試驗方法》和LY/T2369—2014 進行拉伸強度測定。

1.3.3 壓縮強度檢測

參照LY/T2369—2014 和GB/T1935—2009 《木材順紋抗壓強度試驗方法》以及GB/T1939—2009 《木材橫紋抗壓試驗方法》進行壓縮強度測定。

1.3.4 抗彎強度檢測

參照GB/T1936.1—2009《木材抗彎強度試驗方法》和LY/T2369—2014 進行抗彎強度測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 含水率

測得沙柳氣干材的含水率為10.41%，檢測數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 沙柳氣干材含水率Tab.1 Moisture content of air-dried salix

2.2 拉伸強度

沙柳氣干材順紋抗拉試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 沙柳氣干材順紋抗拉強度試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Tensile strength test data of air-dried salix

圖1 軸向拉伸力-位移曲線Fig.1 Axial tensile force-displacement curve

從圖1 可知，在沙柳氣干材軸向拉伸試驗最初加載過程中，隨著軸向拉伸力的逐漸增加，位移逐漸增加，軸向拉力-位移曲線具有一定的線性關(guān)系，體現(xiàn)出彈性性質(zhì)；當(dāng)軸向拉力達到沙柳最大抗拉強度時沙柳試件斷裂，此時軸向拉力為4 303 N，得出抗拉強度為133.28 MPa。試驗過程中，隨著軸向拉力的逐漸加載，曲線無明顯的屈服和強化階段，沙柳試件被拉斷時位移僅為6 mm，延伸率很小，因此沙柳材拉伸物理力學(xué)特性表現(xiàn)出一定的脆性。

2.3 壓縮強度

2.3.1 軸向壓縮

沙柳氣干材的軸向壓縮數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 沙柳氣干材軸向壓縮試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Axial compression test data of air-dried salix

圖2 軸向壓縮力-位移曲線Fig.2 Axial compression force-displacement curve

由圖2 可見，在沙柳材軸向壓縮試驗中，開始加載時，沙柳氣干材處于彈性階段，軸向壓縮力-位移曲線具有一定的線性關(guān)系；隨著載荷的增加，因細胞壁厚度及細胞直徑不等，細胞壁逐漸皺折或向腔內(nèi)塌陷，導(dǎo)致沙柳氣干材在較小范圍內(nèi)被迅速壓實，軸向壓縮力陡然上升，此時處于致密階段，軸向壓縮力-位移曲線為非線性；當(dāng)達到沙柳材最大抗壓強度時，纖維管內(nèi)細胞失去平衡能力，此時最大壓縮力16.404 kN，得出軸向抗壓強度為73.00 MPa,沙柳材纖維發(fā)生屈曲、褶皺，并逐漸過渡至壓潰階段，最終沙柳破裂。

2.3.2 弦向壓縮

沙柳氣干材弦向壓縮試驗結(jié)果如表4 所示。

表4 沙柳氣干材弦向壓縮試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Experimental data of chordwise compression of airdried salix

弦向壓縮試驗中，加載方向垂直于沙柳材的纖維方向，從圖3中可以看出，加載前期弦向壓縮力-位移呈線性關(guān)系，此時處于彈性階段，細胞發(fā)生微小變形；隨著載荷的繼續(xù)增加，在越過屈服點（此時最大弦向壓縮力2 520 N，弦向抗壓強度為11.20 MPa）之后，細胞逐漸被壓潰，細胞壁發(fā)生向腔內(nèi)坍塌變形，位移迅速增大而弦向壓縮力略有增大，此時進入屈服后弱線性強化階段；隨著載荷的增加細胞壁會相互接觸，細胞腔被完全填充，細胞被壓密，此時進入冪強化階段[23-25]，弦向壓縮力會隨位移的增加而急劇增大。最后沙柳材被壓潰。

2.3.3 徑向壓縮

沙柳氣干材徑向壓縮試驗結(jié)果如表5 所示。

表5 沙柳氣干材徑向壓縮試驗數(shù)據(jù)Tab.5 Radial compression test data of air-dried salix

圖4 徑向壓縮力-位移曲線Fig.4 Radial compression force-displacement curve

弦向、徑向壓縮試驗中得到兩條相似的力-位移曲線，這是因為徑向壓縮和弦向壓縮都是屬于橫紋壓縮，從兩條曲線中可以看出，二者在壓縮試驗中表現(xiàn)出相似的特性，徑向壓縮也經(jīng)歷了彈性階段、屈服后弱線性強化階段和冪強化階段。得到徑向抗壓強度為12.84 MPa。

2.4 抗彎強度

沙柳氣干材三點彎曲試驗結(jié)果如表6 所示。

表6 沙柳氣干材三點彎曲試驗數(shù)據(jù)Tab.6 Experimental data of three point bending of air-dried salix

圖5 三點彎曲試驗壓力-位移曲線Fig.5 Three point bending test pressuredisplacement curve

從圖5可看出,在加載的初始階段，壓力與位移呈現(xiàn)線性關(guān)系，此時沙柳氣干材處于彈性階段。隨著載荷的增大，壓力-位移曲線斜率在降低，這是因為有少數(shù)木材纖維開始斷裂。當(dāng)載荷達到302.4 N時，沙柳氣干材斷裂。得到沙柳氣干材的抗彎強度為106.31 MPa。

3 結(jié)論

通過含水率試驗得到沙柳氣干材的含水率為10.41%，最大抗拉強度為133.28 MPa，軸向、弦向和徑向的最大抗壓強度分別為73.00、11.20 MPa和12.84 MPa，抗彎強度為106.31 MPa。軸向抗壓強度約為弦向抗壓強度的6.5 倍，徑向抗壓強度與弦向抗壓強度之比約為1.1，表明沙柳氣干材橫紋抗壓強度遠小于順紋抗壓強度，橫紋抗壓強度相近。順紋抗拉強度與順紋抗壓強度之比約為1.8，表明沙柳屬于軸向拉壓強度不等的正交各向異性材料。此次試驗所得數(shù)據(jù)為鋸切仿真提供了材料的失效參數(shù)。