竹材原态仿生重组材抗压性能研究
本研究源自于国家自然科学基金“竹材原态仿生重组胶合性能及关联力学特性研究”(31470582)。本文研究目标为:基于仿生学原理，通过对竹材原态仿生重组材的强度和刚度的性能表征，充分理解蜂窝结构在竹材原态仿生重组材中体现的结构特性与力学特性，揭示竹单元对整体力学性能的贡献。从而找到竹材原态仿生重组材竹单元个体与材料整体的力学关系，加快竹材原态仿生重组材在仿生领域的应用步伐，并为应用于建筑领域提供理论基础和数据支撑。本文研究内容为:采用竹材原态仿生重组材连续成型工艺，通过研究竹材原态仿生重组材的长细比和竹单元直径对竹材原态仿生重组材抗压性能、破坏特征的影响，开展大规格、仿生竹质工程构件的制造和性能评价研究。并对竹材原态仿生重组材成型机进行了优化设计。为原生态竹材在竹质工程材料领域的应用提供行之有效的方案。 主要研究工作与成果: (1)完成了竹材原态仿生重组材竹单元的制造工艺与竹材原态仿生重组材的成型工艺，并利用轴向抗压的方法对制备的2种规格（长度1100mm和1500mm）的竹单元进行了破坏模式的研究、抗压性能的表征。结果表明:2种竹单元均是屈曲破坏;竹单元长度1100mm和1500mm的竹单元最大抗压强度平均值分别为34.4kN和31.5kN，而其最大纵向变形平均值分别为9.7mm和13.4mm;2组竹单元均表现出了明显的弹性阶段、弹塑性阶段和塑性下降阶段。并提出了竹单元的允许应力的计算公式。通过力学计算公式，可在工程设计上对竹单元进行筛选，为竹材原态仿生重组材的制造提供符合力学性能要求的竹单元。 (2)通过轴向抗压的方法，研究了不同长细比的竹材原态仿生重组材的破坏模式、抗压性能。得到如下结论:竹材原态仿生重组材的破坏大多发生在外围竹筒，以外鼓、劈裂为主要形式，粘结各竹筒的胶层未见明显破坏;短柱(竹材原态仿生重组材长度为368mm、736mm)以竹材材料的破坏为主要特征，而长柱(竹材原态仿生重组材长度为1840mm)则多发生屈曲破坏;随着竹材原态仿生重组材长细比的增加，5组试件的承载力略有降低，总体可预测;从长细比4到6(即竹材原态仿生重组材长度736mm到1104mm)竹材原态仿生重组材的极限载荷下降明显;竹材原态仿生重组材的最大轴压变形随着长细比的变化的规律与二次函数趋势一致。通过使用胶合木结构技术规范，对具有不同长细比的竹材原态仿生重组材进行了理论计算，计算值与试验值较为接近。理论计算的引入可为竹材原态仿生重组材的工程设计提供参考。 (3)通过对材料进行轴向抗压试验，研究了不同竹单元直径制成的竹材原态仿生重组材的破坏模式和抗压性能。结论如下:本研究的竹材原态仿生重组材的破坏主要以竹单元的外鼓、劈裂和端部的材料破坏为主;随着竹单元直径的不断增加，最大纵向位移和极限载荷均有增大的趋势，且弹性阶段也随着竹单元直径的增加而变长;竹单元直径在80～100mm的竹材原态仿生重组材抗压性能的各项指标较为接近;竹材原态仿生重组材的极限载荷随着竹单元直径的变化规律与三次函数一致;随着竹单元直径的不断变大，试件的最大挠度逐渐变小。这说明竹单元直径越大，竹材原态仿生重组材越不容易出现弯曲，材料越能够充分受力。竹材原态仿生重组材的挠度随着竹单元直径的变化最终有趋于一个固定值的趋势。 (4)研究了不同指接位置的竹材原态仿生重组材的破坏模式和抗压性能。结论如下:带指接的竹材原态仿生重组材最先破坏的是指接位置，破坏主要以竹单元的鼓包、劈裂和指榫的压溃、胶层脱落为主要现象;随着指接位置向试件上部移动，试件的最大载荷有变大的趋势;指接位置在1m长的竹材原态仿生重组材的距上端部1/3，1/4，1/5处时，对竹材原态仿生重组材的挠度的影响并不明显。其中以指接距上端部1/5处的竹材原态仿生重组材受指接位置的影响最小。提出了竹材原态仿生重组材的失效判据式，判据式可为竹材原态仿生重组材的失效进行预判，可对竹材原态仿生重组材在工程上的使用提供指导依据。 (5)通对竹材原态仿生重组材的制造工艺与竹单元的抗压试验，设计了适合制造竹材原态仿生重组材的机械加工方法;通过对竹单元长细比、指接位置对竹材原态仿生重组材抗压性能影响的研究，设计了适合横向组拼胶合的加压方式，并设计适宜的卡具;通过对竹单元直径对竹材原态仿生重组材抗压性能的影响的研究，筛选适合竹材原态仿生重组材制造的单元数和拼排方式，对已有成型机进行了优化设计。
竹材仿生重组材;加压成型;抗压性能;破坏模式
中国林业科学研究院
博士
木基复合材料科学与工程
傅万四
2017
中文
TS652
2019-04-16（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）