（木材科学与技术专业论文）湿状态下竹胶合板模板力学性能与数值模拟研究.pdf

湿状态下竹胶合板模板力学性能与数值模拟研究 摘要 竹胶合板模板是以毛竹为原料，将其加工成竹席和竹帘，并以竹席为面层材 料，以纵横交错组坯的竹帘为芯层材料，经干燥、浸胶、组坯、热压胶合而成一种 竹材人造板。竹胶合板模板因其强度高、幅面宽、表面光滑、容易脱模、耐水、 耐热、耐磨和周转次数高等特点，已在建筑领域大量推广使用，替代木模板、钢 模板作高层建筑、桥梁、大坝、隧道施工的建筑模板。竹胶合板模板生产厂按照 竹胶合板模板j g t 1 5 6 - - 2 0 0 4 标准，提供的竹胶合板模板性能参数大都是干状态 下检测的，而建筑模板是在室外使用，且与碱性水泥砂浆直接接触，因此以干状 态性能指标作为模板强度和刚度设计依据，势必会给建筑施工带来很大的不准确 性，模板性能计算取值应考虑竹胶合板模板在吸水后的性能变化。因此，对湿状 态下竹胶合板模板的力学性能研究具有十分重要的意义。 本文以竹胶合板模板工业化产品作为对象，研究了竹胶合板模板主要力学性 能随含水率变化规律，研究结果表明：竹胶合板模板纵、横方向静曲强度和弹性 模量均随着含水率的增加呈现下降趋势，在纤维饱和点以上时性能趋于稳定，下 降幅度均达到4 0 以上；竹胶合板模板纵、横方向冲击强度均随着含水率的增加 略呈上升趋势，含水率每增加l ，纵向冲击强度约增加0 2 0k j m 2 ，而横向冲击 强度约增2 n o 1 2k j m 2 。本文首次利用回归方程求解的方法，得出了竹胶合板模板 纤维饱和点大致在1 9 2 1 2 3 2 7 范围内；研究了竹胶合板模板在干、湿两种状态 下的纵横方向蠕变特性，研究结果表明：竹胶合板模板的横向蠕变量大于纵向蠕 变量，湿状态下的蠕变量显著大于干状态。 利用正交实验方法研究了热压温度、热压时间、热压压力、施胶量和板坯含 水率5 个因素，在5 个水平情况下的竹胶合板模板胶合性能以及干、湿两种状态下 的纵横方向静曲强度、弹性模量和冲击强度，利用计算机模拟技术建立了二次多 项式响应面数学模型，共1 3 个。对1 3 个响应面模型分别进行了方差分析与显著性 检验，结果表明：1 3 个响应面模型都是极显著的。实验验证结果表明：胶合性能 响应面模型的预测精度略低于其它模型，但整个模型组，除少数实验点的预测值 与实验值相对误差达到1 0 1 5 外，其它都在1 0 的相对误差范围内，且所有1 3 个模型实验验证相对误差绝对值的平均值都在1 0 以下。 湿状态下竹胶合板模板力学性能与数值模拟研究 首次以干状态下竹胶合板模板3 g t 1 5 6 2 0 0 4 标准的优等品力学性能指标为约 束条件，以湿状态下竹胶合板模板的力学性能为目标，基于响应面模型，利用改 进的p a r e t o 多目标遗传算法对湿状态下竹胶合板模板力学性能进行了多目标优 化，获得了1 0 个p a r e t o 解。同时，进行了控制成本条件下的竹胶合板模板力学性 能的多目标优化和模型外延探索，并对部分优化计算结果与实验结果进行了对比， 对比结果表明：计算值和实验值的相对误差绝对值的平均值在1 0 以下。 通过研究，对竹胶合板模板在湿状态下的主要力学性能随含水率变化规律有 了全面认识，构建了一套竹胶合板模板力学性能优化设计方法，实现了竹胶合板 模板生产过程工艺因素与产品主要力学性能的数值模拟，为产品设计者提供了先 知决策的依据，并可实现竹胶合板模板产品力学性能的智能化设计。此方法可以 推广到其它竹材人造板研究与生产，亦可以推广到木材人造板的研究与生产中。 关键词：竹胶合板；建筑模板；湿性能：多目标优化；响应面模型；遗传算法 i i 湿状态下竹胶合板模板力学性能与数值模拟研究 abstr act p l y b a m b o of o r mi sab a m b o o - b a s e dp a n e lw i t hm o s ob a m b o o sm a d ei n t ob a m b o o w o v e n - m a ta sf a c em a t e r i a la n db a m b o oc u r t a i na sc o r em a t e r i a lb yas e r i a lp r o c e s s e s ： d r y i n g ，g l u e a p p l i c a t i o n ，l a y u pa n dh o t - p r e s s i n g i tw i d e l yi su s e di nb u i l d i n gf i e l ds u c h a sh i g hb u i l d i n g s ，b r i d g e s ，b i gd a m sa n dc h a n n e l sw i t hg o o dp r o p e r t i e so fs 打e n g t hh i g h ， l a r g e - s i z e dp a n e lw i d e ，f a c es m o o t h ，d r a w i n go f p a t t e m se a s y , w a t e r p r o o f , h e a t - r e s i s t i n g ， w e a r - r e s i s t i n ga n dt u r n o v e r 丘e q u e n c yh i g h t h ep r o p e r t i e so fp l y b a m b o of o r ma r e t e s t e dm o s t l yi nd r yc o n d i t i o nb yf a c t o r ya c c o r d i n gt oj g t 1 5 6 - 2 0 0 4s t a n d a r d ，t h ef o r m a r eu s e do u t s i d ed i r e c t l yw i t hc e m e n tm o r t a r , t h eb i ge r r sa r eb r o u g h tt ow o r k i n gs i t e s c o n s i d e r i n gt h ev a r i e dp r o p e r t yo fp l y b a m b o of o r md u et oa b s o r b i n gw a t e ri fd e s i g ni s b a s e do nd r ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs 订e n g t ha n dr i g i d i t yo ff o r m ，s ot h e r ea r e i m p o r t a n tm e a n i n g so f s t u d y i n gt h ep r o p e r t i e so f p l y b a m b o of o r mu n d e rw e tc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r , a f t e rs t u d y i n gt h ev a r i a t i o no fm a j o rp r o p e r t i e so fp l y b a m b o of o r m u n d e rw a t e rc o n t e n tc h a n g i n g ，t h er e s u l t ss h o wt h a tl o n g i t u d i n a la n dc r o s sm o d u l u so f e l a s t i c i t ya n dl o n g i t u d i n a la n dc r o s sm o d u l u so f r u p t u r ea r ea l ld e c r e a s e db ym o r et h a n 4 0 w i t hw a t e rc o n t e n ti n c r e a s i n gu n t i lf i b r e s a t u r a t i o na n dt h e nk e e ps t a b l e t h e i m p a c tb e n d i n gi si n c r e a s e ds l o w l yw i t hw a t e rc o n t e n ti n c r e a s i n g ，l o n g i t u d i n a li m p a c t b e n d i n gi n c r e a s e do 2 0l d m 2a n dc r o s si m p a c tb e n d i n gi n c r e a s e do 1 2 k j m 2b y1 0 w a t e rc o n t e n t i n c r e a s i n g t h ef i b r e - s a t u r a t i o n o fp l y b a m b o of o r mi sa b o u ti n 1 9 2 1 2 3 2 7 b yu s i n ge q u a t i o no fr e g r e s s i o nf i r s tt i m e ，a n da l s os t u d i e dt h e l o n g i t u d i n a lc r e e po fp l y b a m b o of o r mu n d e rd r ya n dw e tc o n d i t i o n ，a n dt h ef i n d i n g s i n d i c a t et h a tc r o s sc r e e po fp l y b a m b o of o r mi sb i g g e rt h a nt h el o n g i t u d i n a la n dw e t c r e e pb i g g e rt h a nd r yc r e e p b yo r t h o g o n a ld e s i g no f e x p e r i m e n t ，s t u d i e dt h ei m m e r s i o nt e s t so f a d h e s i v eb o n d s o fp l y b a m b o of o r mw i t h5f a c t o r sh o t - p r e s st e m p e r a t u r e ，t i m e ，p r e s s ，w a t e rc o n t e n to f m a ta n da m o u n to fr e s i nu n d e r5l e v e l sa n dt h el o n g i t u d i n a la n dc r o s sm o d u l u so f e l a s t i c i t y , m o d u l u so fr u p t u r ea n di m p a c tb e n d i n gu n d e rb o t hd r ya n dw e tc o n d i t i o n s ， a n db u i l d1 3 r e s p o n s es u r f a c em o d e l sb yq u a d r a t i cp o l y n o m i a l sw i t ha n a l y s i so f v a r i a n c ea n df - t e s ta n dt h er e s u l t ss h o wt h e1 3m o d e l sa r eg r e a ts i g n i f i c a n t a n db y i i ! 湿状态下竹胶合板模板力学性能与数值模拟研究 t e s t i n gt h ee x p e r i m e n t ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e d i c t e da c c u r a c yo ft h e r e s p o n s e s u r f a c em o d e lo f t h ei m m e r s i o nt e s to f a d h e s i v eb o n di ss l i g h t l yl o w e rt h a nt h a to f o t h e r m o d e l s t h er e l a t i v ee a t sb e t w e e np r e d i c t e dv a l u ea n de x p e r i m e n tv a l u ea r ea l li n1 0 t ot h ew h o l eg r o u po fm o d e l se x c e p tf o rf e wi n1 0 1 5 a n dt h ea b s o l u t ea v e r a g eo f t h er e l a t i v ee r r st e s t e db y1 3m o d e l sa r ea l ll o w e r1 0 w i t ht h e s u p e r i o rm e c h a n i c a l i n d e xo fp l y b a m b o of o r m a c c o r d i n g t o j g t 15 6 - 2 0 0 4a se n dc o n d i t i o n su n d e rd r yc o n d i t i o na n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f p l y b a m b o of o r ma sao b j e c t i v ea n db a s e do nt h er e s p o n s es u r f a c em o d e la n du s i n g g e n e t i ca l g o r i t h mt os t u d yt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp l y b a m b o of o r mu n d e rw e t c o n d i t i o nb ym u l t i - o b j e c t i v eo p t i m a ld e s i g n , g e t1 0p a r e t os e t s m e a n w h i l e ，a d o p tp a r t o p t i m a ld e s i g nt oc o n t r o lt h ec o s t sa n dm o d e le x t e n s i o na n dt e s tp a r tr e s u l t so fo p t i m a l d e s i g n t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ea b s o l u t ea v e r a g eo ft h er e l a t i v ee r r sa r ea l l l o w e r1 0 b ys t u d y i n g p r o b ei n t ot h em a j o rp r o p e r t yv a r i a t i o nw i n lc h a n g i n gw a t e rc o n t e n t a n db u i l das e to fo p t i m a ld e s i g na b o u tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp l y b a m b o of o r m ，a n d s i m u l a t eb e t w e e nt h ep r o c e s sf a c t o r sa n dm a j o rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp l y b a m b o o f o r m ，a n dp r o v i d et h e o r yt op r o d u c td e s i g n e r , a n dc a r r yo u ti n t e l l i g e n td e s i g nt ot h e p r o d u c to fp l y b a m b o of o r m t h i sw a yc a l lb eu s e dn o to n l yi ns t u d y i n ga n dp r o d u c i n g o f b a m b o o - b a s e dp a n e lb u ta l s oi nw o o d - b a s e dp a n e l k e yw o r d s ：p l y b a m b o o ；f o r m ；w e t t i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m a l d e s i g n ；r e s p o n s es u r f a c em o d e l ；g e n e t i ca l g o r i t h m i v 幸留静囊耐然乞珏 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品，也不包含为 获得中南林业科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材 料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 厶， 作者签名：l 协f 仍吲l ， l 6 年6 月护日 幸轲静委耐然乞甾 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文 的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件或电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权中南林 业科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请您在以上相应方框打“”) + 作者签名：彬锄云约l导师签名：终 莎t 哟年6 月跏日彦彬莎年彦妒日 中南林业科技大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景 全世界竹类植物有7 0 多属1 2 0 0 多种，竹林总面积已达2 2 0 0 万h m 2 。中国是世 界上竹类资源最丰富的国家，约有4 0 属5 0 0 种，竹林种类、竹林面积和蓄积量均居 世界首位，共有竹林面积4 2 0 万h i i l 2 ，其中毛竹林占近7 0 “1 。竹子生长快、产量高， 与木材相比较，具有强度高、韧性好、硬度大等特点，是工程结构材的理想原料。1 。 在2 0 世纪9 0 年代初，中南林业科技大学研制开发了一种竹胶合板，即以毛竹 为原料，将毛竹加工成竹席和竹帘，并以竹席为面层材料，以纵横交错组坯的竹帘 为芯层材料，经干燥、浸胶、组坯、热压胶合而成的一种竹材人造板。于1 9 9 1 年在 湖南省洪江竹胶合板联合工厂试产成功，即投入批量生产。3 。目前竹胶合板是我国 竹材人造板中发展最快、规模最大的一个品种，主要用作建筑模板“1 。竹胶合板因 其强度高、幅面宽、拼缝少、表面光滑、容易脱模、不易变形和周转次数高等特点， 已在建筑上大量推广使用，替代木模板、钢模板和木胶合板模板作高层建筑、桥梁、 大坝、隧道施工的建筑模板。到目前为止已建设成3 0 0 多家工厂，4 0 0 多条生产线， 主要分布在湖南、江西、浙江、福建、广西和安徽等地。在我国建筑模板市场拥有 1 3 强的市场份额，成为我国建筑行业的一种主导模扳呻1 。 竹胶合板模板的使用环境和其它室内用人造板有显著的不同，竹胶合板模板是 在室外湿状态下使用的，而竹材作为一种天然植物材料其性能与水分相关。如竹材 吸水性、湿胀干缩所引起的尺寸变化等，另外，竹材含水率变化也会引起力学性 能的变化。如竹材的顺纹抗压强度、顺纹抗拉强度、顺纹剪切强度、静曲强度及弹 性模量等力学性能与含水率关系明显，随含水率的增高而降低，但当竹材处于绝干 状态时，因质地变脆强度反而下降；而横纹抗拉强度、纵劈等力学性能与竹材含水 率关系不明显o 。以竹材为主要原材料生产的竹胶合板模板同样具有上述特性。 在建筑施工中，为了保证混凝士浇注的质量，一般均要对模板进行强度和刚度 计算。竹胶合板模板生产厂提供的竹胶合板模板性能参数都是干状态下检测的性能， 因此以干状态下的性能指标作为模板强度和刚度设计依据，势必给建筑旃工带来很 大的不准确性，模板计算取值应考虑竹胶合板模板在吸水后的性能变化，并对模板 设计加以调整“。必须考虑竹胶合板模板的弹性模量、强度因含水率增加，使用次 第1 章绪论 数增加而降低的因素 1 2 j 。芬兰舒曼公司规定维莎木胶合板模板含水率增加至1 8 2 7 时，其弹性模量下降2 0 9 6 3 0 9 6 。我国没有充分可靠的试验数据，如果模板设计 需要计算挠度值，则必须把模板材料的弹性模量值取准确，否则实际值与计算值出 入很大，甚至设计失败。由于竹胶合板模板在施工中吸水，强度有所下降，特别是 开始使用时下降较明显，会产生湿变形。一些专家学者在竹胶合板模板湿变形特性 的初步研究和竹胶合板模板工作状态下的力学指标研究中指出：竹胶合板模板吸水 变形和强度下降问题是竹材本身存在且不可避免的，应引起施工单位的重视“”1 。 本论文中把竹胶合板模板的含水率低于或等于使用气候条件下的竹材平衡含水 率时称之为“干状态”，含水率介于竹材平衡含水率和竹材纤维饱和点之间称之为 “半干状态”，而把竹胶合扳模板的含水率高于竹材纤维饱和点称之为“湿状态”。 根据作者对竹胶合板模板在施工状态下进行的调查，一般施工状态下的竹胶合板模 板含水率处于“半干状态”。根据初步研究我们知道竹胶合板模板的力学性能在板 材含水率达到竹材纤维饱和点以上时，处于一种较低水平的稳定状态，这种状态下 的性能指标对于模板的强度和刚度设计均具有重要的参考价值，因此本论文主要以 竹胶合板模板在湿状态下的力学性能作为研究重点。 虽然在过去的研究中，竹胶合板模板的生产工艺得到了较大改进，生产工艺参 数也得到了优化，但这些优化都是依据竹胶合板模板标准的要求而进行的。j g t 3 0 2 6 1 9 9 5 竹胶合板模板标准中的力学性能都是指干状态下的指标，由于竹胶合板 模板是在湿状态下使用，所以修改后的j g w1 5 6 2 0 0 4 竹胶合板模板新标准增加了 折减系数l 项指标，以便考虑竹胶合板模板在湿状态下使用时力学性能下降这一特 点“，但影响湿状态下竹胶合板模板力学性能的因素有待进一步研究。本论文利用 数值拟合方法建立竹胶合板模板在不同含水率状态下力学性能的回归方程。基于响 应面技术建立竹胶合板模板生产工艺因素与产品性能指标之间的数学模型，为竹胶 合板模板的性能仿真打下基础。利用遗传算法对湿状态下的竹胶合板模板力学性能 进行多目标优化，最终目标是实现竹胶合板模板性能的智能化设计。 1 2 国内外研究现状及其进展 1 2 1 竹材性质研究现状及其进展 竹材和木材一样，当含水率高的时候，在空气中或在强制干燥的条件下，竹材 内部的水分就会不断蒸发而导致竹材几何尺寸的缩小，称之为干缩，干燥后的竹材 中南林业科技大学博士学位论文 吸水性很强，吸水后，体积膨胀“。竹材构造具有复杂性和变异性，是一种典型 的各向异性材料。竹材不同部位细胞大小、形状、维管束分布密度、纤维含量各不 相同，主要表现在：节间和竹节的差异，竹秆高度上的差异，竹壁厚度上竹青、竹 肉和竹黄之间的差异等等。研究结果表明：竹材的径向和弦向干缩差别不大，纵向 最小。毛竹从气干到全干状态，平均干缩系数分别为：弦向o 1 8 2 、径向0 1 8 9 、 纵向0 0 2 4 。同一高度竹壁的内外层的干缩程度也有差异，竹青部分纵向干缩小， 而横向干缩最大；竹黄部分纵向干缩较竹青大，但横向干缩明显比竹青小“1 。 王建和测定了竹材胶合板用竹片( 毛竹) 干缩的变化规律：径向略大于弦向大于 纵向；有竹节处大于无竹节处唧1 。张春霞对我国马甲竹等7 种竹材的湿胀性能进行 了研究，研究结果同样表明：竹材的湿胀率，径向路大于弦向，纵向则很小；不同 竹种存在一定差异。认为基本密度大的竹种，竹材组织较致密，机械组织所占比例 较高，从而表现出吸水膨胀性较小。”。 周芳纯等研究了毛竹的干缩特性和纤维饱和点，研究结果表明：毛竹的纤维饱 和点在3 0 左右o “。关明杰等则研究了甜竹和黄竹的干缩性及其纤维饱和点，测定了 不同含水率下甜竹和黄竹的径向和弦向干缩率，确定了弦向和径向纤维饱和点甜竹 分别为3 4 8 4 和3 4 5 2 ，黄竹分别为2 4 6 4 和2 9 6 5 。“。 p e r a l t apn 等人研究了竹材在不同温度和相对湿度条件下的径向水分扩散规 律，发现其扩散系数的变化在7 3xi 0 1 2 7 8x1 0 。1 1 m2 s 之间。在高含水率范围内 扩散系数较大，并且随温度增加而增加，在解吸过程中扩散系数几乎是吸湿过程中 的2 倍。 竹材作为天然植物材料，其力学性能与木材一样具有受含水率影响的特性，竹 材的力学强度随含水率的增高而降低，但当竹材处于绝干状态时，因质地变脆，强 度反而下降。周芳纯等将毛竹试件分别调节成不同含水率后，研究了毛竹竹材含水 率对顺纹抗压强度的影响，研究结果表明：毛竹竹材的顺纹抗压强度随含水率的提 高而降低，竹材含水率在3 傩以上时较为稳定噙“1 。竹秆上部比下部的力学强度大， 竹壁外侧比内侧的力学强度大。毛竹节部的抗拉强度比节间的抗拉强度低i 4 ，而 其它的力学性能均比节间高，原因是节部维管束分布弯曲不齐，受拉时易被破坏。 竹材的力学强度一般随竹龄的增长而提高，但当竹秆老化变脆时，强度反而下降。 立地条件越好，竹材力学强度越低，小径材比大径材的力学强度高，有节整竹比无 节竹段的抗压强度和抗拉强度都要高，整竹劈开后的弯曲承载能力比整竹要低，气 第1 章绪论 干试样的抗压强度、抗拉强度、弹性模量和破裂模量要比新鲜试样高得多，竹壁外 侧的断裂模量较高，而弹性模量没有改变”3 2 1 。张宏健等研究了云南4 种典型材用 丛生竹的宏观解剖构造与主要力学性质的关系1 。于文吉等对早园竹的力学性质变 异进行了详细的研究。“。 z e n gq y ”1 ，杜刚，l is h 。7 1 等，对普通竹材、改性竹材的冲击韧性进行了比 较研究，研究结果表明：普通竹材径向冲击韧性与试样装夹方向有关，从竹黄向竹 青方向冲击时，所检测的冲击韧性更大：压缩率与改性竹材的冲击韧性密切相关。 总的来说，竹材材性方面的研究仍然不够深入。尤其是水分对竹材物理力学性 能的影响机理和规律方面还有待深入研究，但仍有些研究成果对研究和分析湿状态 下竹胶合板模板性能大有帮助。 1 2 2 竹胶合板工艺与性能研究现状及其进展 在国外，竹材加工及竹胶合板的研究主要集中在日本、印度、印尼、越南、菲 律宾等亚洲国家，印度是世界上生产商品竹最多的国家之一，竹子主要用来造纸， 竹浆造纸占印度造纸原料的6 0 以上，另一个用途是将竹子、木材与混凝土复合制 成竹筋混凝土构件用于建筑。印度还生产过一种增强塑化模压竹材层积板，其密度 为其它植物纤维塑化制品的5 0 9 6 ，而抗拉强度可达2 6 4 3 8 6 m p a 。泰国也是世界上最 早生产竹胶合板的国家之一。马来西亚也曾对竹材胶合板做过试验，可是研究并不 深入，也未形成正规工业化生产”。 印度尼西亚国家科学院( l i p i ) 对竹木复合胶合板进行过实验室研究。另外， 印尼与日本的研究人员合作，对柳杉与竹条复合制造高强材料进行过研究，结果表 明：竹材除去竹青和竹黄，将其与柳杉条复合，使用酚醛树脂胶或异氰酸酯胶，可 以制造具有很高力学强度的板材，特别是利用异氰酸酯胶制造的竹木复合材显示出 更高的强度性能和耐久性。 我国是竹胶合板工艺技术开发最成熟的国家，其产品主要用于建筑模板、车厢 板、集装箱板和包装材料等，竹胶合板模板已成为我国的一种特色产品，部分产品 已销往欧美等发达国家。我国最早开发的竹材人造板是四川的竹编胶合板，主要用 作包装箱板，也有少量用作建筑模板。北京林业大学研究开发成功了三聚氰胺浸渍 装饰纸贴面竹席胶合板，产品具有表面美观、质地坚硬、耐磨和耐热等优点，在家 具制造、室内装修中得到广泛应用。南京林业大学研究开发了竹材胶合板，在汽车 中南林业科技大学博士学位论文 车厢底板、集装箱底板和建筑模板得到了很好的推广应用。中南林学院研究开发的 竹帘胶合板模板，在我国南方地区建立了数百家工厂。混凝土模板用竹胶合板包括 竹胶合板模板素板、浸渍纸覆面竹胶合板模板、高强覆膜竹胶合板模板“1 。 普通竹胶合板模板主要用竹胶合板作基材，表面用1 2 层浸渍纸贴面。主要采 用次成型工艺，也有厂家采用二次贴面工艺。当前竹胶合板模板存在的主要问 题是产品质量问题，主要体现在厚度偏差大、表面色差大、板面有凹陷或麻点、存 在不同程度的开胶等缺陷“7 侧。使用寿命也较短，一般周转使用1 0 2 0 次，如果管 理不严使用次数更少，与国外木胶合板模板相比差距较大，如美国辛普森公司的木 胶合板模板规定，单面中密度覆面模板可使用1 0 2 5 次、单面高密度覆面模板可使 用2 5 5 0 次、系统成型作业可使用上百次、双面高密度覆面模板可使用3 0 5 0 次、 系统成型作业可使用2 0 0 次5 1 。 由于竹胶合板模板是在室外使用，因此产品必须有良好的耐水和耐气候性能等 室外使用性能。韩健研究了热压压力、热压温度、保压时间和上胶量等因素对竹胶 合板力学性能的影响，并提出了优化的工艺条件。同时对竹胶合板表面质量缺陷， 如白花、表面水渍、膜层变薄、表面颜色不均匀、表面开裂等进行了研究，并提出 了相应的改进措施。研究了竹胶合板在使用过程中，由于受到热量、水分、光照、 氧化等多种因素的影响，其表面塑化层因逐渐老化而产生脆化、开裂、剥离、变形 等现象”“”。 傅峰等利用回归的旋转设计方法，建立了竹胶合板静曲强度和弹性模量的多项 式模型，结果表明：竹胶合板纵横方向静曲强度和弹性模量，都达到了日本结构胶 合板的标准8 。1 。陈升平等则建立了竹胶合板的本构方程，并实验测定了方程中的 材料常数，理论计算和实验结果相当吻合”1 。 朱福民等研究了等宽等厚高强竹胶合板的各种物理力学性能。”。张齐生等对竹 材胶合板进行了结构特性及各种不同覆膜工艺进行了深入研究，结果表明：以竹材 胶合板为基材，采用特定的结构设计及覆膜工艺可制成高品质的覆膜竹胶合板模板， 其主要物理力学性能已达到或超过世界名牌维莎( w i s a ) 模板的水平唧1 。 王小青等以浸渍酚醛树脂的杨木单板和竹帘为原料进行了竹木复合工艺和性能 的研究瞰1 。姜志宏等则以浙江省5 家竹胶合板厂的产品作为研究对象，比较分析了 5 种竹胶合板产品的平衡含水率和毛竹材平衡含水率，研究结果表明：竹胶合板的 平衡含水率平均值比毛竹小3 o ，不同厂家的竹胶合板平衡含水率有显著差异，涂 第1 章绪论 胶生产的竹胶合板平衡含水率略低于浸胶生产的竹胶合板平衡含水率”。 目前在竹胶合板工艺和性能研究方面，仍主要局限于采用传统的实验方法，如 利用正交实验等方法对最佳工艺参数进行研究，在利用近似技术进行数值模拟方面 仍然是一块空白。 1 2 3 竹胶合板模板应用特性研究现状及其进展 在施工过程中，竹胶合板模板的含水率在一定范围内随时间的延长而增加，静 曲强度、弹性模量则随竹胶合板模板含水率的提高而降低。混凝土从浇筑到养护， 水的用量都很大，因而提高竹胶合板模板的耐水性以降低其含水率的增加，是保证 工程质量的一个重要途径。竹胶合板模板的湿胀性能受含水率和密度影响，以厚度 方向最大，宽度方向次之，长度方向最小。含水率越低，密度越大，板在厚度方向 的湿胀性就越大。竹胶合板模板的干缩和湿胀是组成单元竹片纵、径、弦三方向干 缩和湿胀相互作用的结果。竹胶合板模板在施工应用中，由于吸水率、使用次数 或负荷时间增加，其静曲强度和弹性模量都将不同程度地下降，一般施工企业不了 解这一点，以致支撑设计不合理而引起质量事故0 1 。 陈家珑等在现浇混凝土模拟状态下，研究了竹胶合板模板含水率与静曲强度、 弹性模量的关系。研究结果表明：在一定的时间内，竹胶合板模板的含水率随时间 的增长而加大，而静曲强度、弹性模量随着竹胶合板模板含水率的提高而降低，两 者基本呈线性反比关系。实验材料越匀质，此规律越显著，一元线性回归方程的相 关系数有的高达0 8 0 9 ，相关性检验为特别显著。同时还研究了竹胶合板模板长 期负重与弹性模量的关系，竹胶合板模板在较长时间承载一定重量后，仅一次使用， 其弹性模量即有不同程度的降低，持续负重3 个月后实验板的静曲弹性模量降低为 8 2 r “1 。 竹胶合板模板在受到热量、水分、光照、氧化等多种因素的影响时，因表面塑 化层逐渐老化，易出现脆化、开裂、剥离、变形等现象，不但影响使用效果，而且 会影响使用寿命，即出现老化现象”。莫先琴等研究了竹胶合板模板的耐候性，在 加速老化实验条件下，竹胶合板模板的冲击强度和保存强度均有不同程度的降低， 且随含水率增加，下降幅度逐渐加大“。 余宗明则针对竹胶合板模板的变形，提出模板设计与计算中应注意的问题，并 提出了相应建议”1 。在温度作用下变形，线膨胀系数通常在6 o 1 2 1 0 “。特 中南林业科技大学博士学位论文 别是在水泥固化初期发生放热反应，模板与水泥的接触面热量集中，变形严重。湿 度、温度升高会使竹胶合板模板变得柔软而富于韧性，容易变形。竹胶合板模板中 轴两侧的竹帘或竹席厚度、干缩率、弹性模量不对称、干燥不均等均可使模板内部 产生附加应力而变形。 另外，竹材作为一种天然植物材料具有流变特性，竹胶合板模板的主体材料仍 然是竹材，因此，竹胶合板模板在应用时，同样具有流变特性。竹胶合板模板在弯 曲荷载作用下，除产生弹性变形外还产生一定的塑性变形，且变形量随时间的延长 而增加，即蠕变。含水率增加，蠕变也加大，水分起增塑作用，增加了蠕变柔量， 减小了松弛模量。相对湿度、温度的周期性变化，导致蠕变变形将比较大。表现在 竹胶合板模板浇注混凝土时，由于长期负载会出现蠕变。蠕变的产生对混凝土浇注 构件的尺寸准确性带来不良影响，这也是建筑设计和施工企业很关心的问题。据国 内外文献报道，对木质材料的蠕变研究己进行了一定广度和深度的研究，尤其体现 在木质材料作为结构材使用时的蠕变性能研究，竹刨花板模板在于状态下的蠕变性 能研究已有文献报道时“，但竹胶合板模板在干、湿两种状态下的蠕变性能比较研 究，目前尚未见报道。 1 2 4 响应面技术研究现状及其进展 响应面方法( r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ，r s m ) ，是一种结合数学应用、 统计分析和实验设计的技术，探讨影响因素与实验指标之间的数学关系，是用来对 所感兴趣的实验指标( 又称响应或设计目标) 受多个因素( 设计变量) 的影响问题 进行建模和分析，经由实验设计者在所关心的实验区域内，以有系统的方式进行实 验，取得所希望的实验指标值和因素水平，其目的是优化这个实验指标。响应面方 法最早由b o x 和w i l l s o n 提出理论基础，经过h i l l 和h u n t e r 整理发展，于 1 9 6 6 年建立了更广泛的响应面定义和最优化模式”。 响应面方法在医药卫生”1 、食品工业”。“、机械产品设计酬以及生产工艺过程 等方面得到了广泛的应用，特别是针对那种产品或过程的质量特性和性能指标同时 存在多个影响因素的情况。这种性能指标或者质量特性大部分是连续的，尽管也会 偶尔有一些离散的变量。在产品全生命周期的各个阶段，响应面方法都提供了有效 的实验方法，寻找出最优实验条件以大幅度降低开发的时间和成本，使产品具有更 高可靠度，提高产出率和减少不良品。响应面能够提供一个可靠、可遵循的程序， 第1 章绪论 以达到突破设计制造过程的瓶颈或者达到所要求的实验指标。如缩短生产周期、提 高产能或减少不良品，以达到最佳生产管理或经济效益。从生产工艺水平的提高上 来看，响应面方法是有效分析最优生产条件的方法，同时能够在更多实践经验和新 的实验设计基础之上找出更好的生产条件和质量水平，结合企业的实际能力和资源， 得到适合企业自身的生产工艺。对于企业的资源投入来说，使用响应面方法找到的 生产条件和结果是在企业现有条件下的最佳结果，可以节省投入，优化产出。 1 2 5 遗传算法研究现状及其进展 遗传算法是模拟生物界自然选择和自然遗传机制的随机化搜索算法，由美国 m i c h i g a n 大学的h o l l a n d 教授在1 9 7 5 年首次提出。早期的研究大多以对自然遗传 系统的计算机模拟为主，侧重于对自动博弈、自然系统模拟、模式识别和函数优化 等一些复杂操作的研究，如1 9 6 7 年b a g l e y 讨论了遗传算法在自动博弈中的应用1 ， 1 9 7 1 年h o l l s t e i n 第一个把遗传算法用于函数优化”1 。经过美国m i c h i g a n 大学的 j o h nh o l l a n d 与其同事、学生们的研究，到1 9 7 5 年，遗传算法的研究出现了突破 性的进展，h o l l a n d 在 a d a p t a t i o ni nn a t u r a la n da r t i f i c i a ls y s t e m s 。3 删 中对遗传算法予以系统的介绍，阐述了遗传算法的基本理论和方法，并提出了对遗 传算法理论的研究和发展极为重要的模式理论。d ej o n g 在 a na n a l y s i so ft h e b e h a v i o ro fac l a s so fg e n e t i ca d a p t i v es y s t e m s 嘲中，侧重于函数优化的应 用研究，把模式理论与计算试验结合起来，为遗传算法及其应用打下了坚实的基础， 得出的许多结论到现在仍具有普遍的指导意义，可视为遗传算法发展进程中的一个 里程碑。 自2 0 世纪8 0 年代中期开始，世界上许多国家都掀起了关于遗传算法及其工程 应用的研究热潮。目前，每年都召开许多以遗传算法为主题的国际会议。遗传算法 的主要特点是群体搜索策略和群体中个体之间的信息交换，搜索不依赖于梯度信息， 尤其适用于处理传统搜索方法难以解决的复杂的非线性问题，可广泛用于组合优化、 机器学习、自适应控制、规划设计和人工生命等领域，是2 1 世纪有关智能计算的关 键技术之一。遗传优化被认为将与混沌理论和分形几何一起，成为人们研究非线性 现象和复杂系统的三大方法，与神经网络一起成为人们研究认知过程的重要工具”3 。 中南林业科技大学博士学位论文 1 3 研究目的、研究内容和论文框架 1 3 1 研究目的 竹胶合板模板标准j g t 1 5 6 - - 2 0 0 4 中的主要物理力学性能指标大都是在干状 态下检测，而建筑模板是在室外使用，且与碱性水泥砂浆直接接触，因此，研究竹 胶合板模板力学性能随含水率变化的规律，建立其主要力学性能随含水率变化规律 的数学模型，对竹胶合板模板应用时的强度和刚度设计具有十分重要的意义。 在木材及竹材人造板研究中，我们不能从理论上推导出工艺参数与产品物理力 学性能指标之间的数学模型。如果某项性能或多项性能指标要达到要求时，其生产 工艺参数如何调整? 在传统上都是凭经验进行反复实验，直到达到要求为止，因此 工作量大，盲目性大。如果能通过数值模拟方法，进行先知性的性能仿真，获得工 艺参数，然后进行实验修正，从而可大大地减少盲目性和实验工作量。这样就提出 了一个如何对竹胶合板模板产品性能进行智能化设计的问题。本文采用实验研究与 数值模拟技术相结合的方法，深入研究竹胶合板模板在湿状态下的性能特征，揭示 竹胶合板模板力学性能随含水率变化规律。分析研究竹胶合板模板工艺参数与其湿 状态下性能指标之间的相互关系，基于响应面技术( r s m ) 建立湿状态下竹胶合板模 板工艺参数与各项物理力学性能指标之间的高阶响应面数学模型作为预测模型。以 此响应面模型为基础，基于遗传算法对湿状态下竹胶合板模板物理力学性能进行多 目标优化，同时可在给定产品力学性能指标的前提条件下，优化和求解竹胶合板模 板生产中的各项工艺参数，为产品性能的智能化设计提供一套有效的数值模拟方法， 为竹胶合板模板性能的智能化设计打下基础。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 研究和探讨竹胶合板模板产品在不同含水率状态下的力学性能变化规律。 包括不同含水率状态下的静曲强度、弹性模量、冲击强度和蠕变性能实验与数值拟 合研究； ( 2 ) 在实验室条件下研究竹胶合板模板制板工艺参数：热压温度、热压时间、 热压压力、施胶量和板坯含水率5 因素对竹胶合板模板力学性能的影响，研究工艺 参数与力学性能之间的数量关系，基于响应面技术建立正交结构竹胶合板模板产品 工艺参数( 热压温度、热压时间、热压压力、施胶量和板坯含水率) 与湿状态下竹 胶合板模板产品各项力学性能之间的二阶响应面数学模型作为预测模型： 9 第1 章绪论 ( 3 ) 以响应面模型为基础，进行响应面分析，探讨各工艺参数对产品力学性能 的影响规律，并运用计算机虚拟实验设计技术进行5 因素5 水平的全因素实验设计， 研究分析各因素对产品力学性能的主效应和交互效应； ( 4 ) 基于遗传算法对竹胶合板模板进行性能多目标优化，同时在限制工艺参数 取值范围