林业科学  2012, Vol. 48 Issue (9): 115-119   PDF    
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李霞镇, 任海青, 马少鹏
Li Xiazhen, Ren Haiqing, Ma Shaopeng
基于数字散斑相关方法的竹材变形特性
Deformation Behavior of Bamboo based on DSCM
林业科学, 2012, 48(9): 115-119.
Scientia Silvae Sinicae, 2012, 48(9): 115-119.

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收稿日期:2011-10-30
修回日期:2012-04-25

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李霞镇
任海青
马少鹏

基于数字散斑相关方法的竹材变形特性
李霞镇1, 任海青1, 马少鹏2    
1. 中国林业科学研究院木材工业研究所 北京 100091;
2. 北京理工大学宇航学院 北京 100081
摘要: 利用数字散斑相关方法(DSCM)测定5个竹龄的竹材顺纹抗拉弹性模量, 并实时拍摄竹材拉伸和压缩过程中的位移变化, 得出竹材抗拉和抗压试样的应变场。结果表明:从竹青至竹黄, 顺纹抗拉弹性模量大致呈减小的趋势; 随着竹龄的增大, 顺纹抗拉弹性模量逐渐增加。竹材破坏过程复杂且能够直观地反映破坏的全过程, 与人们肉眼观察相比, DSCM可提前反映试样状态并预见试样的破坏点。
关键词:DSCM    竹材    变形    顺纹抗拉弹性模量    破坏    
Deformation Behavior of Bamboo based on DSCM
Li Xiazhen1, Ren Haiqing1 , Ma Shaopeng2    
1. Research Institute of Wood Industry, CAF Beijing 100091;
2. School of Aerospace Engineering, Beijing Institute of Technology Beijing 100081
Abstract: Digital speckle correlation method (DSCM) was used in studying modulus of elasticity (MOE) in tension parallel to grain of bamboo and displacements which contribute to the strain fields of samples during the tension and compressive process.It was showed the MOE in tension parallel to grain kept a decreasing trend from the outer to inner layers of stalks, and it increased with age increasing.Besides, bamboo damage was complex and the whole damage process could be reflected by DSCM intuitively.In addition, DSCM could show the damage state of samples in advance and anticipate failure sites.
Key words: digital speckle correlation method(DSCM)    bamboo    deformation    modulus of elasticity in tension parallel to grain    damage    

传统的木质变形测试采用电测法, 电测法虽然是一种很成熟的力学测试方法, 但是该方法是以点测量为基础, 不能获得全场的变形信息, 在木材力学测试领域中具有一定的局限性(Sutton et al., 1983; Groom et al., 1994)。近年来, 随着现代光电子和计算机技术的发展以及数字图像处理理论的深入, 数字散斑相关方法(digital speckle correlation method, DSCM)迅速成为试验力学领域一种重要的测试方法(金观昌, 1997; Sutton et al., 2000; 马少鹏, 2003)。除了DSCM本身具备的全场、非接触、高精度等特点外, 将该技术应用于木、竹材力学测试上还具有其他优势:测量装置和光路简单, 试件无须处理或仅需简单处理, 对试件尺寸无特殊要求, 试验过程和数据处理方法简单, 试验消耗小, 利于进行大批量的重复试验。目前该技术已被用于研究木质材料的压缩、拉伸、断裂以及在弯曲载荷下木材的变形规律测试(徐曼琼等, 2003; 李霞镇, 2009; 邓丛静等, 2010), 这些测试对于了解木质材料力学性质具有重要意义。

材料的破坏是指在载荷作用下, 材料抵抗外力所产生的变形积累到一定程度, 而使材料宏观整体完全丧失或部分丧失原有的物理力学性能的现象。随着竹材在建筑行业应用日趋广泛, 破坏是竹材作为建筑材料在安全设计中必须要考虑的一个重要因素, 特别是竹材在载荷作用下发生的一系列变形, 故深入研究竹材在载荷作用下的变形, 对竹材的利用具有重要的指导意义。鉴于此, 本研究利用DSCM光测法对5个竹龄的竹材顺纹抗拉弹性模量进行测定; 并利用DSCM技术实时拍摄了竹材拉伸和压缩过程中的位移变化, 得出竹材拉伸和压缩破坏过程中的应变场, 观测了整个破坏的过程。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验毛竹(Phyllostachys edulis)采自浙江富阳, 选取0.5, 1, 2, 4和6年生的竹株, 按照国家标准GB/T 15780—1995《竹材物理力学性质试验方法》规定的采样方法进行。待气干3个月后, 将竹筒直接劈分成竹条, 每株毛竹在离地第13节处取样, 亦按照GB/T 15780—1995的要求加工顺纹抗拉试样[280 mm × 10 mm × t mm(竹壁厚)]和顺纹抗压试样[20 mm × 20 mm × t mm(竹壁厚)]。

选取5个竹龄(0.5, 1, 2, 4和6年生)的竹材用于顺纹抗拉弹性模量的测定。试验前在试样靠近竹青处和靠近竹黄处分别标记2对标记点, 同时在竹肉处标记1对标记点(图 1, 2), 之后便可将试样安装到万能力学试验机上进行测定。试验重复3次。

图 1 竹材抗拉弹性模量试样标定 Fig.1 Sign method of MOE sample
图 2 抗拉标定试样CCD相机初始采集图片 Fig.2 Original state of sample taking by CCD

选取4年生竹材进行动态破坏分析。为了使试样上的散斑场具有较强反差, 试验前在试样的厚度方向上先喷上白漆以作为基底色, 再喷黑漆使其在试样表面形成均匀分布、大小适宜的散斑点, 待漆完全干后, 方可进行试验。

1.2 试验设备

试验所用的加载装置为长春试验机厂生产的WDW3050型微机控制电子万能试验机, 最大试验力为50 kN, 精确度为0.5%, 加载速度为0.3 mm· min-1。试验仪器还包括数字图像采集设备:DHSV1300fm数字CCD相机(分辨率1 280 × 1 024, 帧率7.5fps)和变焦镜头(可调焦范围为17 ~ 102 mm)。CCD相机应连续对竹材试样的有效试验区进行图像采集(每秒钟约采集10张图像), 时时记录竹材在受拉和受压过程中的变化, 以观察竹材在整个抗拉和抗压过程中应力场演化和破坏形态。

1.3 顺纹抗拉弹性模量试验方法

拉伸试样标定点如图 1, 2所示, 试样上每对标记点之间的距离应适宜(大约为10 mm)。若距离过大, 在拉伸过程中所标定的点会拉离相机的拍摄视野之外; 距离过小, 标定时有一定难度, 且处理起来易受影响。本文利用“灰度重心”法(樊志华等, 2010)来确定标记点拉伸前后的位置, 根据所确定的位置, 计算得到试样的应变, 进而得出竹材抗拉弹性模量。

图 3为竹材顺纹拉伸试样两点标定, 在试件上标记2个点, 用前述方法分别处理得到2个点的位置, 可计算得到应变。建立拉伸试件计算模型, 仅考虑x方向变形, 根据几何关系可以得到两标记点灰度重心间的距离l, 拉伸试样变形前、后位移可根据式(1)求得(其中变形前两点间的距离为l0, 变形后两点间的距离为l'), 应变ε如式(2) :

(1)
(2)
图 3 标准拉伸试件计算模型 Fig.3 Calculate model of standard tension sample
2 结果与分析 2.1 竹材顺纹抗拉弹性模量

本文使用DSCM光测法测定了5个竹龄竹材靠近竹青、竹肉和靠近竹黄处的顺纹抗拉弹性模量, 并得出各竹龄竹材顺纹抗拉弹性模量平均值在9 400.04 ~ 12 214.00 MPa的范围内波动, 其具体测试结果见表 1图 4为靠近竹青、竹肉及靠近竹黄处的应力-应变曲线。各竹龄竹材抗拉弹性模量由柱状图(图 5)更直观表示出各竹龄竹材顺纹抗拉弹性模量的变化趋势。由图 5可见, 竹材的抗拉弹性模量从竹青至竹黄依次减小; 随着竹龄的增大, 大致呈增加的趋势, 总体变化趋势同前人所得结果一致(林金国等, 2002; 俞友明等, 2004; Ren et al., 2008), 其中2年生竹材有显著异常, 这主要是由于竹子生长存在大小年的原因(徐光余等, 2008; 陈新安, 2010)。据试材采伐地竹农介绍, 2年生竹材是毛竹小年出笋, 长势较弱, 且2年生竹材在竹林中的数量也较少, 所以2年生竹材的竹秆胸径均比其他年份的小。本次试验所测得的竹材抗拉弹性模量及随竹龄的变化趋势与同批试材使用常规方法所得的弹性模量变化趋势一致, 也是2年生竹材弹性模量稍稍偏小(Ren et al., 2008)。

表 1 竹材弹性模量数据 Tab.1 Values of bamboo MOE
图 4 顺纹抗拉试样应力-应变曲线 Fig.4 The stress-strain curve of bamboo tension samples 1.靠近竹青Near the outer layer; 2.竹肉Middle layer; 3.靠近竹黄Near the inner layer.
图 5 各竹龄毛竹材弹性模量变化趋势 Fig.5 Change trend of MOE at different ages
2.2 竹材的动态破坏分析 2.2.1 竹材顺纹抗拉动态破坏

竹材细胞壁主要是由纤维素、半纤维素及木素三大物质构成(尹思慈, 1996), 竹材类似于木材, 应力与应变间的关系复杂(图 6), 其性能既不像真正的弹性材料, 又不像真正的塑性材料, 而是一种典型的黏弹性材料。

图 6 抗拉试样动态破坏应力-应变曲线 Fig.6 Stress-strain curve of dynamic tension for bamboo samples

由于毛竹材在顺纹拉伸过程中, 纤维之间产生的滑移使纤维撕裂破坏, 其破坏断面呈针状撕裂; 且试样最初断口均是靠近竹黄一侧, 在垂直于纤维方向产生细微的裂口, 之后随着载荷增大, 裂口逐渐增大, 直至产生纵向撕裂, 最终的破坏形态如图 7所示。在竹材发生纵向撕裂的过程中伴随着横向张力产生, 它会导致基体材料薄壁组织同增强体材料维管束界面的分离和破坏, 且基体材料薄壁组织同增强体材料同时发生横向剪切破坏。资料显示(刘一星, 2004):试样断裂面的不规则程度, 主要取决于木材顺纹抗拉强度和顺纹抗剪强度的比值, 一般来说竹材该比值较大, 破坏一般在强度较弱的竹黄部位剪切开, 破坏断面极不平整。

图 7 毛竹材试样破坏后宏观形态 Fig.7 Configuration of the failure samples

图 8(本文选取了10个破坏时刻)可清晰地看出竹子拉伸试件的整个破坏过程。裂纹是从试件靠近竹黄一侧的边缘部分产生, 图 8d已经可以很明显地看到有细微裂口产生, 之后裂纹逐渐向内扩展, 裂口逐渐增大(图 8e~i), 直至试件的纵向产生撕裂。

图 8 抗拉试样动态裂纹扩展 Fig.8 Crack spread images on bamboo dynamic tension sample

图 9图 8相对应的应变场(如图 8j所示, 试样完全发生纵向撕裂, 试样上裂口的位移变化过大, 在进行位移场处理时, 匹配的相关系数值很低, 所出的位移场无意义, 在此省略), 参照应变场中的颜色指示(红色—蓝色表示应变逐渐递减), 由图 9a'和b'看出, 各颜色在位移场中分布较均匀, 这说明试件拉伸初期, 载荷比较小, 试件各部分变形较均匀, 未出现应变集中的现象。当载荷增加到一定值时, 在图右下角区域呈现红色, 其余部分均呈蓝色(图 9c'), 这说明试样右下角的应变量比其他地方明显增大, 已存在应变集中现象, 意味着右下角已逐渐产生细微的裂纹, 但在对应图 8c中, 用肉眼尚未出现明显裂纹。从图 9c'可知, 试样在此时已经发生了破坏, 只是人们无法通过肉眼识别, 说明相对肉眼, 应变场能时时并提前反映试样在拉伸加载过程中的状态。随着加载时间的延长, 裂纹逐渐扩大, 从图 9d' ~i'中仍然可以看出裂纹产生区域的应变量较其他地方大(呈红色), 且随着载荷的增加, 该现象也更加明显, 最后直至试样完全断裂。

图 9 抗拉试样裂纹扩展过程的应变场 Fig.9 Displacement of dynamic tension samples
2.2.2 竹材顺纹抗压动态破坏

竹材是天然的有机复合材料, 其组织结构主要由维管束和薄壁细胞组成, 形成刚柔相济的结构特征(杨淑惠, 2001; 甘小洪等, 2002; 于文吉等, 2002), 可用复合材料理论分析竹材抗压产生的现象(任海青等, 2007)。当竹材被压缩过程中, 首先是纤维和薄壁组织共同承受纵向压力, 曲线呈线性上升趋势, 此时变形和载荷呈正比。由于维管束纤维刚度要强于薄壁组织的刚度, 因此随着载荷的增加, 薄壁组织成为抗压材料的弱面, 水平方向上出现一条压缩横带, 这一综合横带, 通常称为微观压缩皱纹。随着载荷的增加, 压缩皱纹逐渐明显, 其应力-应变曲线表现为屈服阶段, 在这一阶段变形和载荷二者不呈直线关系, 应变增长速度比应力增长速度快。

据有关资料(江泽慧等, 2000):当压力继续增加, 压缩横带趋于稳定, 应力-应变曲线继续表现为线性上升阶段。在本试验中, 由于压缩试样加载到一定程度时, 其变形已较大, 要使试样完全破坏, 还需要较长的加载时间, 故本试验在试样到达一定的变形程度时便停止加载, 所以尚未观察到竹材压缩试样应力-应变曲线中的二次线性上升阶段。

同竹材抗拉破坏试验一致, 选取了10个抗压破坏时刻, 可清晰直观地反映出竹材整个抗压的破坏过程。在压缩初期, 试样无明显变化(图 10a, b, c)。随着载荷的增加, 竹材的侧面发生细微的扭曲(图 10d, e), 竹材的变形随着载荷增加而增大。竹材顺纹抗压破坏主要出现在端部, 并在靠近加载头的一侧产生扭曲, 这主要是由于竹材和载荷接触的地方出现应力集中, 抗压试样的端部发生压溃破坏。通过观察发现, 靠近竹黄一侧的竹材压缩程度较大, 靠近竹青一侧的竹材压缩程度较小, 最终使试样压缩面整体向竹黄侧倾斜, 使靠近竹黄处发生抗压的内应力, 而靠近竹青处产生抗拉的内应力。这主要是由于靠近竹黄处维管束稀疏, 承载能力弱, 容易被压溃; 再者, 由于在竹壁厚度方向, 竹青至竹黄维管束依次变稀, 呈明显的阶梯状, 随着载荷的增加, 竹材抗压试样会逐渐产生弦向剪切破坏。

图 10 抗压试样动态破坏 Fig.10 Failure of bamboo dynamic compression samples

从微观上来说, 顺纹抗压试样的纤维细胞上会产生单一错位的裂纹状细线, 细线会随着载荷增大而增多, 直到形成纵横交错的网纹。随后在细胞壁这些细线纹方向产生剪切破坏, 剪切破坏多了, 整个细胞壁便扭曲(刘一星等, 2004)。受压的皱痕使整个破坏区的细胞壁都发生扭曲, 最终导致抗压试样的整体扭曲, 这也说明了竹材抗压破坏试样也经历了损伤的积累和局部化过程, 最终发生破坏。

图 11中每个小图分别是图 10相应的应变场。图 10中的前3幅图可见试样无明显变化, 这也可以通过图 11中相应的应变场证实, 整个观测区域均呈现蓝色, 说明试样所产生的应变极小且非常均匀。从图 11c'可见试样应变场颜色开始变浅, 对照色标说明试样的应变开始增大; 同时在图 10d发现试样左上部有细微的弯曲, 随着载荷的增大, 压缩试样的变形逐渐增大(图 10e~j), 图 11中相应应变场的左上角区域颜色逐渐朝向红色过渡, 说明该区域的应变越来越大, 最后直至试样被破坏。

图 11 毛竹材抗压试样的应变场 Fig.11 Displacement of dynamic compression samples
3 结论

1) 本研究利用DSCM法测定了竹材顺纹抗拉弹性模量, 得出5个不同竹龄竹材的顺纹抗拉弹性模量, 随着竹龄的增大, 顺纹抗拉弹性模量呈大致增加的趋势, 从竹黄到竹青, 抗拉弹性模量逐渐增加。

2) 竹材顺纹抗拉和顺纹抗压试样的变形均较为复杂, 且其动态破坏表现为复杂的破坏形式。抗拉试样最初断口在靠近竹黄侧垂直于纤维方向产生细微裂口, 之后随着载荷增大逐渐增大, 直至产生纵向撕裂。竹材顺纹抗压破坏主要在靠近竹黄处的端部出现, 且靠近加载头的一侧发生扭曲。

通过试验可知, DSCM与人们肉眼观察相比, 可提前反映试样的状态并预见试样的破坏点。DSCM相关方法的特点和木竹材非均匀特性对测试方法的特殊要求决定了DSCM在生物质材料的力学参数和力学性能研究方面具有相当的可行性和优越性。

参考文献(References)
[] 陈新安. 2010. 毛竹林大小年生长规律探讨. 中南林业调查规划(1): 21–33.
[] 邓丛静, 张东升, 江泽慧, 等. 2010. 基于DSCM的竹炭力学参数测量及破坏分析. 辽宁工程技术大学学报:自然科学版, 9(2): 256–259.
[] 樊志华, 王春鸿. 2010. 一种无需乘法器的光斑质心定位方法. 光电工程, 37(12): 17–24. DOI:10.3969/j.issn.1003-501X.2010.12.004
[] 甘小洪, 丁雨龙. 2002. 竹类结构植物学研究进展. 竹子研究汇刊, 21(1): 12–17.
[] 江泽慧, 任海青, 胡一贯, 等. 2000. 木材断裂过程的研究. 核技术, 23(8): 572–576.
[] 金观昌. 1997. 计算机辅助光学测量. 北京, 清华大学出版社.
[] 李霞镇. 2009. 毛竹材力学及破坏特性研究. 中国林业科学研究院硕士学位论文. http://cdmd. cnki. com. cn/Article/CDMD-82201-2009194291. htm
[] 林金国, 黄宗安, 邱晓东, 等. 2002. 石竹材材质变异规律的研究. 竹子研究汇刊, 21(1): 65–68.
[] 刘一星, 赵广杰. 2004. 木质资源材料学. 北京, 中国林业出版社.
[] 马少鹏. 2003. 数字散斑相关方法在岩石破坏测量中的发展与应用. 清华大学博士学位论文. http://www. cnki. com. cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200408039. htm
[] 任海青, 张东升, 潘雁红. 2007. 竹材抗压动态破坏过程分析. 南京林业大学学报:自然科学版, 31(2): 47–50.
[] 徐光余, 杨爱农, 李多祥, 等. 2008. 毛竹林大小年差异与合理砍伐之间的关系. 农技服务. DOI:10.3969/j.issn.1004-8421.2008.01.082
[] 徐曼琼, 金观昌, 鹿振友. 2003. 数字散斑面内相关法测量木材抗压弹性模量. 林业科学, 39(2): 174–176. DOI:10.11707/j.1001-7488.20030231
[] 杨淑惠. 2001. 植物纤维化学. 北京, 中国轻工业出版社.
[] 尹思慈. 1996. 木材学. 北京, 中国林业出版社.
[] 于文吉, 江泽慧, 叶克林. 2002. 竹材特性研究及其进展. 世界林业研究, 15(22): 51–55.
[] 俞友明, 金永明, 於琼花, 等. 2004. 雷竹竹材物理力学性质变异规律的研究. 竹子研究汇刊, 23(2): 50–54.
[] Groom L H, Zink A G.1994.Techniques in experimental mechanics applicable to forest products research.Proceedings of the Experimental Mechanics Plenary Session at the Forest Products Research Society Annual Meeting Portland. https://www.psychologytoday.com/blog/inside-the-box/201402/thinking-outside-the-box-misguided-idea
[] Ren Haiqin, LI Xiazhen, Wang Xiaoqing, et al. 2008. Research on the physical-mechanical properties of moso bamboo. Chinese Forestry Science and Technology, 7(3): 50–55.
[] Sutton M A, McNeill S L, Helm J D, et al. 2000. Advances in twodimensional and three-dimensional computer vision//Rastogi P K.Topics in Applied Physies. Springer Verlag, 323.
[] Sutton M A, Walters W J, Peters W H, et al. 1983. Determination of displacements using an improved digital correlation method. Image and Vision Computing, 1(3): 133–139. DOI:10.1016/0262-8856(83)90064-1