桉树力学性能的破坏机制研究

桉树力学性能的破坏机制研究

0动态载荷作用机理木材是一种天然可再生生物生物能源材料，具有多孔、异质和各向异性。它广泛应用于许多领域，如木材、包装、桨制造。gibson和ashbi为木材在准静荷下的各种力学能、破坏形式和机械网络分布提供了许多有益的经验公式，但在实际应用条件下，木材可能受到各种负荷的影响，包括爆炸或影响。harrigan等人通过分离式杆杆（shpb）研究了不同密度木材的动态压缩能力。本地压缩引起的局部变形比静态减少更显著。动态压力损失仅限于薄变形带中的动态压损失，其变形速度非常快。当部分区域消耗一定的能量时，其他区域可能只能接受弹性变形。在这种压力损失带中，导管纤维主要发生弯曲和坍塌。孔壁坍塌是坍塌塑造孔腔的一般机制，但由于孔壁和变形运动的阻力，低压运动增加了压力损失的强度，并在局域变形区传播。相关文献表明,国内外对干木材在动载荷条件下的研究较多,而湿木材研究则很少.因此,本文以桉木为对象,对轴向干、湿桉木在SHPB冲击载荷的动态性能做了研究和比较,旨在分析干、湿木材的动态压缩应力应变响应特征以及相关破坏机制.1shpb实验1.1准静态压缩实验实验所用的木材由中国林业科学院提供,属蓝桉立木,采自广西省合浦县.桉木沿轴向(纤维走向)取芯制样,干桉木试样尺寸为Φ25×5mm,湿试样为室温条件下,浸泡12小时的饱和水桉木试样,膨胀后试件的尺寸约为Φ26×5mm.为了便于比较,我们还利用MTS810.23万能试验机进行了准静态压缩实验,其试件尺寸为Φ30×15mm,加载速率为1mm/min,相应的试件应变率为1.1×10-4s-1.1.2应变曲线的描述动态压缩实验在分离式Hopkinson压杆(SHPB)设备上完成,其装置如图1所示.子弹以一定的速度撞击输入杆,在输入杆中产生入射波εi(t)并传递到试样中.试样在入射波作用下发生高速变形,在输入杆与试样的界面产生向后的反射波εr(t),同时在输出杆中产生向前的透射波εt(t).依据一维应力波理论,通过应变片测量压杆上的εr(t)、εt(t),代入到下式中即可确定试样中的应变率dεs/dt、应变εs(t)、应力σs(t),然后消去时间参数便可得到某一应变率下试样材料的动态应力-应变曲线.dεsdt=-2C0L0εr(t)dεsdt=−2C0L0εr(t)εs(t)=-2C0L0∫t0εr(t)dtεs(t)=−2C0L0∫t0εr(t)dtσs(t)=EAAsεi(t)σs(t)=EAAsεi(t)其中,C0为弹性波在杆中的波速;L0为试件的长度;A为杆的初始横截面积;A0为试件的初始横截面积;E为杆的初始模量.1.3应力波的测试木材是一种软材料,具有密度低、质地软,波阻抗及波速都很低等特点,要准确测得木材的动态应力-应变曲线,需要解决以下两个问题:(1)低阻抗将导致反射波形很大,透射波形很小,几乎被干扰信号淹没.(2)应力波在木材试件中传播的速度较低,其弹性波速约为500m/s,这使得应力波在试件中往返一次的时间明显增长,试件左右两端面在相对较长时间内应力不均匀.为此,实验采取以下几个措施:(1)应用与木材波阻抗相差不大的铝杆;(2)采用长子弹,短试件,保证足够长的加载时间,使测得试件的最大应变足够大,冲击波在试样中充分反射,以满足试样中的力平衡或变形均匀性的假定;(3)输入杆上采用电阻应变片,输出杆上采用灵敏系数为110±5%的AF2-120半导体应变片.与普通应变片相比,它的灵敏度可达100以上,因此噪声对信号的干扰将大大减弱,因而测得的原始波形极为光滑,杂波干扰极小.另外,要反映材料的真实性质,需要试件的尺寸比胞孔尺寸大一个量级以上.因此,实验选取大直径Φ37mm铝杆,子弹、输入杆、输出杆的长度分别为1000mm,2000mm,2000mm.2湿杨木试样的动态压缩特性图2为干湿桉木的准静态、动态压缩应力-应变曲线,其中1线为准静态曲线,其余为动态曲线.表1、表2列示了不同应变率条件下干、湿桉木的主要力学性能.图3为相应条件下干、湿桉木试样的破坏形态.由图2(a)可以看出,干桉木试样在动态冲击速度下的动态屈服应力值约比准静态屈服应力提高约30%,应变率效应明显.由于实验中使用的SHPB压杆长度有限,因此,未能将试样完全压实,所形成的应力-应变曲线不完整,但总的来说,桉木的动态压缩应力-应变曲线与准静态压缩曲线相似,具有多孔固体弹性区、平台区、致密区的三阶段特征.随着应变率的提高,平台区有变长、变平的趋势.如图3(a),所有的干按木试样,在轴向均发生了显著的压缩变形,随着冲击的速度提高,压缩的程度增大,同时径向尺寸也有一定程度增加.在所进行的一组实验中,除个别试件有轻微“飞边”外,未见显著的破裂现象.由图2(b)可以看出,湿杨木轴向试件压缩时,动态屈服应力比其准静态下的结果提高近2倍,表现出比干杨木更强的应变率敏感性.动态曲线的明显特征是线弹性区域终点的屈服降落,接着是略微不规则或呈波状的应力平台.其曲线上的波动,反映出木材的胞壁不断坍塌.如图3(b),湿桉木试件纤维束沿纤维轴向分离,冲击速度越大,分离越严重.在较高冲击速度时,会发生纤维束自入射、透射杆间的飞散现象.试件纤维束沿纤维轴向分离,冲击速度越大,分离越严重.3冲击作用下湿桉木散裂破坏机理根据Gibson等的实验观测与理论分析,干木材受压破坏机制可以概括为:加载初期,试件弹性变形;随着应变的增加,试件非线性变形,在胞孔薄弱区出现局部变形带(屈曲或坍塌),变形带的应变率远大于表观应变率,导致试件在较小范围内被迅速压实,引起屈服应力的陡然升高,使变形集中到临近承载力的其他软化带上;随着载荷的继续增加,坍塌的胞壁不断被挤压而致密化.关于湿木材受冲击载荷作用而发生的纤维散裂破坏机制的分析均未见相关报道.湿桉木之所以产生有别于干桉木的散裂破坏,必然和样品中所吸附的水分有关.与干桉木应力应变曲线在平台段的光滑平缓相比,湿桉木在曲线的平台段无一例外地出现了明显的尖峰(如图2(b),应变约为0.4时,所形成的大峰),这必然与水的内压作用导致纤维散裂机制相关.尖峰之所以出现在平台区的中段,与桉木试样并未达到完全的饱和度有关,即由于湿桉木仍然被气泡占据一定比例的空间,只有当这部分体积被压缩掉以后,水才真正受到挤压.由于水的体积压缩模量较大,湿桉木试样在高速冲击压缩条件下,其中的水不能及时从纤维空腔中排出,形成内压,进而产生垂直于纤维轴向的拉应力,使纤维束破坏分离.木材的结构图及冲击破坏图如图4和图5.应力-应变曲线的尖峰几乎出现在同一位置,说明这一组样品的饱和度是一致的.各峰值均未高出平台区平均应力太多(10MPa左右),这说明,一旦水的内压形成,不需达到太高的值,就可以使木材纤维散裂.以下重点分析内压的形成以及纤维间拉应力的分布规律,进一步揭示冲击作用使纤维散裂的机理.3.1流体动力学参数如图6所示,半径为R,高为h的湿桉木试样,沿轴向受到速度为v的压缩.在常温下,水的体积压缩模量为2.04×103MPa,相比与木材较低的体积压缩模量,将湿木材中的水视为不可压缩流体.因此,图示6的质量微元的各量为:径向速度:vr=v2hr(1)vr=v2hr(1)加速度:ar=dvrdt=v22hr2h+r2h2v2=3r4h2v2(2)流体阻力:kr=λvr=λv2hr(3)其中,λ为阻力系数,定义为单位流速的流体通过单单位体积木材时受到的流动阻力.考虑阻力及惯性作用的流体压力分布规律,由牛顿第二定律:ρdr·ar=-dp-krdr(4)两端积分得:p=-12(ρ3v24h2+λv2h)r2+C(5)C为积分常数.由边界条件:r=R时,p=0,得:p=(3ρv28h2+λv4h)(R2-r2)(6)在端面面积上进行积分,可得端面总压力:Ν=(3ρv28h2+λv4h)π2R4(7)平均应力:σ=ΝπR2=(3ρv216h2+λv8h)R2(8)此平均应力反映在Hopkinson压杆的反射波、透射波波形上,是导致应力应变曲线在平台段出现尖峰的原因.3.2关于r,为2,2.纤维间的拉应力源于纤维束对水的流动阻力,由式(3)可知,流动阻力沿半径方向且与半径成正比,该分布规律恰与圆盘匀速转动中惯性力的分布相同,由此引起的拉应力可按圆盘在匀速转动中的应力求得,如图7.平衡微分方程:ddr(rσr)-σθ+ξr2=0(9)其中ξ=λv/(2h),引用应力函数φ(r),并令:rσr=φ,σθ=dφdr+ξr2(10)由几何方程:εr=ddrur,εθ=urr(11)得相容方程:εr=ddr(rεθ)将胡克定律εr=(σr-μσθ)/E,εθ=(σθ-μσr)/E,代入上式,并利用式(10)得:r2d2φdr2+rdφdr-φ=-(3+μ)ξr3(12)对r积分整理得到:φ=-3+μ8ξr3+A2r+Br于是,由式(10)得出:{σr=-3+μ8ξr2+A2+Br2σθ=-1+3μ8ξr2+A2+Br2(13)其中,A、B是任意常数.由中心处(r=0)的应力不致成为无限大,取B=0;由边界条件(σr)r=R=0,其中R为圆柱体半径,代入(13)中第一式得出A=3+μ4ξa2从而由(13)得:{σr=3+μ8ξ(R2-r2)σθ=3+μ8ξ(R2-1+3μ3+μr2)(14)最大拉应力在圆柱体中心线,即r=0处,σmax=(σr)r=0=(σθ)r=0=3+μ8ξR2=3+μ8λv2hR2(15)3.3有线性冲击下的下峰高度式(8)中的第一项由惯性力引起,其数值约在0.2～0.6MPa,例如v=12.82m/s时,其数值为约为0.3MPa.注意到平台应力区的尖峰高度约为8～9MPa,可见该项在尖峰高度中的所占比例不大,即尖峰应力主要取决于第二项,源于流动阻力.将第二项与最大应力(15)的表达式相比较,可见它们之间是成正比例的.因为最大应力取决于纤维束间拉伸强度极限,故应为常数.于是,对于相同的试件,尖峰应力中的第二项不随冲击速度变化.如前所述,惯性力项占比很小,虽然随冲击速度而增大,但对尖峰高度影响很小.这也是各种冲击速度下,尖