基于不同含水率下的船體支撐墊木力學(xué)特性研究

摘" 要： 木材廣泛應(yīng)用于船舶建造中，由于露天存放，風(fēng)吹日曬，含水率差異極大，對墊木的承載能力產(chǎn)生重要影響.文中分析了墊木支撐船體典型作用方式，設(shè)計墊木承載能力試驗，采用微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)測試墊木的載荷-位移曲線.在此基礎(chǔ)上，建立非線性動態(tài)有限元模型，模擬動載荷作用下墊木結(jié)構(gòu)響應(yīng)，與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，得出不同含水率對墊木承載能力的影響，并提出應(yīng)用建議，可作為船舶建造過程中應(yīng)用支撐墊木的參考.

關(guān)鍵詞： 支撐墊木；含水率；強(qiáng)度試驗；非線性有限元分析

中圖分類號：U668.3+1""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" """文章編號：1673-4807（2024）05-017-06

DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.003

收稿日期： 2023-03-29""" 修回日期： 2021-04-29

基金項目： 國家自然科學(xué)基金面上項目（52171259）；國家重點研發(fā)計劃項目（2022YFE0107000）；工信部高技術(shù)船舶科研項目（工信部重裝函［2021］342號）

作者簡介： 孫劍（1975—），男，高級工程師，研究方向為先進(jìn)船舶及海洋工程設(shè)計.E-mail：sun-hu@163.com

引文格式： 孫劍，董成前，丁仕風(fēng)，等.基于不同含水率下的船體支撐墊木力學(xué)特性研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），202 38（5）：17-22.DOI：10.20061/j.issn.1673-4807.2024.05.003.

Study on mechanical properties of hull support cushionwood with different moisture content

SUN Jian， DONG Chengqian， DING Shifeng， WANG Qingfeng， ZHOU Li

（School of Naval Architecture and Ocean Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212100， China）

Abstract：Wood is widely used in ship construction. Due to the open storage， wind and sunshine， the moisture content is very different， which has an important impact on the bearing capacity of the wood. In this paper， the typical action mode of the supporting hull of the cushion wood is analyzed， and the bearing capacity test of the cushion wood designed. The load-displacement curve of the cushion wood is tested by the microcomputer controlled electronic universal testing machine. On this basis， the nonlinear dynamic finite element model is established to simulate the response of the cushion wood structure under dynamic load. Compared with the test results， the influence of different water content on the bearing capacity of the cushion wood is obtained， and the application suggestion is proposed， which can be used as a reference for the application of the supporting cushion wood in the process of ship construction.

Key words：support cushion wood，moisture content，strength test，nonlinear finite element analysis

木材作為自然界中常見的材料，人們根據(jù)它的性質(zhì)特征，將其用于不同途徑.船舶建造過程中，墊木是廣泛應(yīng)用的支撐材料，承載模式主要為受壓.其自重小，承載力較高，可以起到支撐船體、緩沖動力載荷的作用.為了更好地利用木材，人們對其性能進(jìn)行了各種研究.文獻(xiàn)［1］闡述了木材在建筑中的使用對環(huán)境影響，并給出了未來木材性能研究的方向，為更好利用木材資源提供參考.文獻(xiàn)［2］研究了不同因素對墊木蠕變特性的影響，在此基礎(chǔ)上，建立了適用于鋼卷靜置時木托架墊木蠕動變量模型.文獻(xiàn)［3］對橫紋壓縮荷載下木材力學(xué)性能現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，分析了研究不足之處，并給出今后研究方向.文獻(xiàn)［4］通過研究不同熱處理對木材性能的影響，得出相同溫度與處理時間下，沙浴熱處理的尺寸穩(wěn)定性比氣相介質(zhì)熱處理高，但木材強(qiáng)度降低較多.文獻(xiàn)［5］以毛白楊弦向板為研究，得出木材在90～210℃的預(yù)熱溫度進(jìn)行層狀壓縮時，其硬度、抗彎彈性模量和抗彎強(qiáng)度有所提高.高溫與高壓處理的木材相對堅實、不易開裂，并且老化速度慢［6］.文獻(xiàn)［7］對馬尾松木材進(jìn)行不同溫度蒸汽熱處理，研究木材密度、表面潤濕性等變化對其粘接性能的影響，為今后研究木材性能提供參考.文獻(xiàn)［8］研究了影響斗栱在軸壓作用下力學(xué)性能的因素，并開發(fā)木材相關(guān)子程序，得出斗栱在軸壓作用下的力學(xué)性能.文獻(xiàn)［9］對木材鉆孔后的殘余應(yīng)變進(jìn)行研究，并基于木材彈塑性損傷本構(gòu)得到木材損傷因子及其在孔周的分布特點，為相關(guān)彈塑性模擬提供基礎(chǔ).文獻(xiàn)［10］對木材II型斷裂進(jìn)行研究，得出末端缺口彎曲試驗比緊致剪切試驗來測木材II型斷裂更好.這些研究，關(guān)注木材本身性能和部分環(huán)境影響因素，但對含水率影響的問題并未深入研究.

墊木是船體建造過程中常用的輔助支撐材料，其支撐能力受到含水率的影響，是造船過程中的安全隱患之一.文中以造船過程中常用的支撐墊木為研究對象，開展了一系列墊木支撐能力實驗，獲得不同含水率試樣的“載荷-變形”歷時曲線，并采用非線性有限元方法詳細(xì)分析外載荷作用下的墊木結(jié)構(gòu)響應(yīng)，獲得動態(tài)載荷作用下墊木結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖與變形過程，進(jìn)而將試驗結(jié)果與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對比分析，探究含水率差異對木材力學(xué)性能的影響，提出船舶建造過程中使用墊木支撐的相關(guān)建議，可作為造船過程中使用與維護(hù)墊木的參考，將一定程度提高船體施工的安全性.

1" 墊木承載特性試驗研究

1.1" 木材力學(xué)性能與試驗

為了分析不同含水率對墊木材料承載特性的影響，分別對不同含水率的墊木材料進(jìn)行壓縮試驗，觀察墊木變化情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，對比其在不同含水率下的承載特性.

關(guān)于墊木試樣的壓縮試驗，在線彈性范圍內(nèi)彈性模量為E=σ/ε，E表示應(yīng)力應(yīng)變曲線的直線部分斜率.另外，彈性模量也可以表述為：

E=（F/S0）/（ΔL/L0）（1）

式中：L0與S0分別為試樣原始長度和試樣受力的橫截面積；ΔL為材料的變形量.

在試樣擠壓過程中僅受到豎直方向的壓力，由最大應(yīng)力準(zhǔn)則認(rèn)為，對于任何材料發(fā)生破壞時，都是由于在該方向上的一個或者幾個應(yīng)力的分量達(dá)到了材料某方向的應(yīng)力或應(yīng)變最大值，即認(rèn)為材料失效［11］，最大應(yīng)力準(zhǔn)則的判據(jù)式為：

σL≤FL，σT≤FT，τLT≤FLT（2）

式中：FL為縱向拉伸強(qiáng)度；FT為橫向拉伸強(qiáng)度；τLT為切向應(yīng)力；FLT為平面剪切強(qiáng)度，最大應(yīng)力準(zhǔn)則判斷時相互獨立，各個應(yīng)力的分量影響并未考慮.

對于墊木試件的抗壓強(qiáng)度的測定，將試樣放置在試驗機(jī)器平面支座的中間位置，對墊木試樣進(jìn)行均勻加載，直至試件被破壞，并記錄試件破壞時的載荷值.其計算公式為：

σw=pmaxab（3）

式中：σw為試驗含水率為w%時的抗壓強(qiáng)度，MPa；pmax為試樣破壞時的荷載，N；a為試樣的長度，mm；b為試樣的寬度，mm.

1.2" 墊木承載性能的試驗方案設(shè)計

為了分析不同含水率對墊木材料承載特性的影響，分別對不同含水率的墊木材料進(jìn)行壓縮試驗，觀察墊木變化情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，對比其在不同含水率下的承載特性.

試驗以船體支撐結(jié)構(gòu)中用到的墊木作為試驗研究對象，在不同含水率下進(jìn)行載荷作用，使用設(shè)備為萬能試驗機(jī)，如圖 從而得到相關(guān)力學(xué)性能參數(shù).所選試樣規(guī)格為120 mm×70 mm×70 mm的墊木試樣，提前將準(zhǔn)備好的墊木試樣進(jìn)行分組編號，選擇浸泡時間為1、2、7 d.

對于浸泡好的木材進(jìn)行順紋壓縮試驗后，做好相關(guān)記錄，并將試樣利用干燥法測定含水率，方法為：

從壓縮后的試樣上截取適當(dāng)完好試樣進(jìn)行稱重記錄，然后放入烘箱中，將烘箱的溫度改到103±2 ℃，并持續(xù)進(jìn)行8 h.之后需要每2 h稱一下，直到兩次稱重差很小，則認(rèn)為是全干.然后將試樣取出等冷卻后進(jìn)行稱重，根據(jù)公式進(jìn)行計算：

W=m1-m0m0×100%（4）

式中：W為試樣含水率，%；m1、m0分別為試樣試驗的質(zhì)量和試驗后全干的質(zhì)量，g.得到的含水率如表1.

1.3" 墊木承載能力試驗及分析

在做試樣擠壓試驗時觀察到，當(dāng)壓力超過試樣承載能力后，一般試樣破壞會從局部或者邊角處開始，然后由破壞的初始位置向周圍散開.

對于墊木試樣的受壓變化，根據(jù)試件破壞過程可分為3個階段：第1階段為彈性變形階段，第2階段為塑性壓縮變形階段，第3階段為壓實后承壓階段.

在彈性受壓階段，不同含水率試樣均未發(fā)生明顯的破壞，但有局部小變形發(fā)生.隨著上部壓力的變大，試件開始產(chǎn)生較為明顯的塑性變形，在這個階段，不同含水率木材的變形存在一定的差異性，各試樣損壞特征描述：

（1） 含水率為14.1%，圖2中的（a）圖在擠壓過程中，觀察木材整體壓縮量并不明顯，其破壞形式是在頂部產(chǎn)生沿長度方向的裂縫，并且其側(cè)面產(chǎn)生沿高度方向的裂縫.

（2） 含水率為21.2%，圖2中的（b）圖由頂端長邊中間附近向底部展開裂紋，同時在高度約中間部位裂紋又沿著對角方向.

（3） 含水率為27.8%，圖2中的（c）圖壓縮過程比較緩慢，可以觀察到試樣頂端向下移動.裂紋由頂部邊上斜著向面的頂角移動，底部邊上有向外擴(kuò)張的趨勢.隨著壓力增大，側(cè)面產(chǎn)生的裂紋沿著底部對角撕裂開來.

在試驗過程中，當(dāng)試樣含水率過大時，擠壓會有水分溢出，并且達(dá)到承載極限時，承載力隨即下降，對數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理后，獲得不同含水率的載荷—位移圖像如圖3.

通過對比不同含水率力與位移圖像發(fā)現(xiàn)，試樣承載能力在含水率21.2%時相對較高，且當(dāng)含水率處在27.8%時，此時的承載力下降，原因是含水率不斷增加，原有的部分氫鍵被破壞，會與之前水分子形成氫鍵，所形成的水分子簇使得細(xì)胞壁分子鏈距離增加，空隙增多，導(dǎo)致木材的彈性模量降低，木材細(xì)胞壁主成分也會因水分逐漸軟化，硬度降低［12］.觀察試驗曲線可以看到，在試樣擠壓過程的初始階段，承載力會有一段平緩的上升期，原因是木材開始時會有一段的壓緊過程.

2" 墊木承載能力的數(shù)值分析

2.1" 非線性有限元模型

對試驗試樣在ABAQUS中進(jìn)行簡化建模，并劃分網(wǎng)格進(jìn)行有限元計算.對于模擬的試樣尺寸與試驗的試樣尺寸一致，而底座和加載部件尺寸比試樣尺寸大即可，考慮到模擬的簡便性，對承載試樣的底座與施加條件的上部將其定義為剛體，只需要指定一個參考點，將所有的邊界條件和載荷都施加在這個參考點上，并且不需要賦予材料屬性和截面屬性.試樣采用C3D8R單元，底座和施加條件部件采用R3D4單元，有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖4.

在ABAQUS中，正交各向異性本構(gòu)提供兩種方法：Orthotropic和Engineering Constants.對于Engineering Constants可直接定義參數(shù)，故采用Engineering Constants進(jìn)行模擬，表達(dá)式：

ε11ε22ε33γ12γ13γ23=1/E1－ν21/E2－ν31/E3000－ν12/E11/E2－ν32/E3000－ν13/E1－ν23/E21/E30000001/G120000001/G130000001/G23σ11σ22σ33σ12σ13σ23（5）

式中：εij、γij和σij分別為應(yīng)變和應(yīng)力分量；E1、E2、E3分別為3個正交方向的彈性模量；G12、G13和G23分別為變形產(chǎn)生在1-2、1-3和2-3所組成的平面上的剪切模量；vij為材料泊松比.

另外，當(dāng)超過屈服點，軟件必須以真實應(yīng)力和對數(shù)塑性應(yīng)變εp形式輸入，所需對數(shù)塑性應(yīng)變?yōu)椋?/p>

εp=εt－σtE（8）

木材正交各向異性中，一般采用L、T、R為木材的縱向、弦向和徑向；GRT為徑向和弦向組成面上的剪切模量；GLT為縱向和弦向組成面上的剪切模量；GLR為縱向和徑向組成的面上的剪切模量.邊界條件設(shè)置時，考慮支撐底座是固定的，所以對底座模型全固定約束，施壓部件需要在z方向移動，且定義為具有恒定軸向速度v0的剛體［13］，加載速度為2 mm/min，其他固定，整體模型接觸為通用接觸.

對木材塑性階段進(jìn)行定義，并賦予部件，同時建立局部坐標(biāo)系，使部件方向與定義的材料方向一致.

對于ABAQUS中的相關(guān)數(shù)據(jù)，試驗中獲得的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線通常是工程上的，因此，需要將工程應(yīng)力σe和工程應(yīng)變εe轉(zhuǎn)換為真實應(yīng)力σt和真實應(yīng)變εt為：

σt=σe（εe+1）（6）

εt=ln（εe+1）（7）

當(dāng)試驗數(shù)據(jù)缺少時，取ET/EL≈0.0 ER/EL≈0.1 GLT/EL≈0.0 GLR/EL≈0.07 GRT/EL≈0.01 泊松比取值參考文獻(xiàn)［15］.通過試驗可獲得彈性模量，抗壓強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)可根據(jù)公式進(jìn)行求解.

比較不同含水率，通過改變屬性模擬含水率不同，不同含水率試樣的物理屬性見表2.在設(shè)置過程時，E1、E2、E3分別對應(yīng)木材的R、T、L 3個方向彈性模量，v12、v13、v23分別為順紋縱向、橫紋切向、橫紋經(jīng)向的主泊松比，G12、G13、G23分別為徑向和切向、縱向和徑向、縱向和切向組合面上的剪切模量.

2.2" 相同含水率試樣在不同位置應(yīng)力分析

試樣在擠壓過程中作用在上面的力可以認(rèn)為是均勻分布的，為了探究在這階段時不同位置的應(yīng)力分布，故選取試樣在含水率14.1%情況下，對某個時刻的幾個單元如圖5進(jìn)行分析，其應(yīng)力分布如圖6.

由圖6根據(jù)所選的單元應(yīng)力可以得出，試樣在均勻載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力并沒有均勻分布，且在中間偏1/4寬度的位置應(yīng)力相對較高，并向兩端減小.

2.3" 不同含水率試樣應(yīng)力分析

為了對不同含水率試樣的應(yīng)力分析，選取相同位置應(yīng)力曲線和對最終承受應(yīng)力進(jìn)行比較分析.

（1） 相同位置應(yīng)力曲線分析

選取不同含水率相同位置A處單元進(jìn)行應(yīng)力曲線分析，應(yīng)力曲線如圖7.

如圖 可以看到，不同含水率試樣在A處的應(yīng)力總體趨勢是一樣的，由剛開始時應(yīng)力呈線性增加，在壓縮過程中會出現(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生波動，在應(yīng)力增大的部位會發(fā)生位置偏移，隨后應(yīng)力減小.

（2） 不同含水率結(jié)果分析

不同含水率應(yīng)力結(jié)果比較如圖8.從圖中可以看到，當(dāng)含水率達(dá)到27.8%時，應(yīng)力值不到前面的一半，可見當(dāng)含水率過大時對強(qiáng)度影響較大.

3" 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的比較

圖9顯示了數(shù)值模擬與試驗的載荷力與位移的比較，可以看到數(shù)值模擬結(jié)果的整體趨勢與試驗比較貼合.

表3列出了不同含水率試樣損壞時試驗載荷值、位移和仿真載荷值、位移，并得到兩者的相對誤差.相對誤差較小，說明仿真結(jié)果具有一定的參考性，試驗與計算結(jié)果比較見圖10.

4" 結(jié)論

（1） 通過數(shù)值模擬結(jié)果和試驗結(jié)果對比分析，不同含水率試樣數(shù)值結(jié)果曲線和試驗結(jié)果曲線趨勢較為吻合，且誤差相對較小，因此所選本構(gòu)模型能較好的表達(dá)木材特性.

（2） 對不同含水率的木材試樣進(jìn)行強(qiáng)度分析得出，木材含水率過大時強(qiáng)度下降明顯，進(jìn)一步通過仿真驗證，得出相似現(xiàn)象，因此仿真結(jié)果具有相對可靠性.建議當(dāng)選用木材承載時，應(yīng)根據(jù)所處環(huán)境考慮含水率變化產(chǎn)生的影響.

（3） 在用墊木作船體支撐時，木材發(fā)生損壞后不會立即失去支撐能力，仍然具有一定安全性.

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（責(zé)任編輯：貢洪殿）