CN102650633B - 活立木力学性能无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种活立木力学性能无损检测方法，包括：S1：建立木材细胞壁纵向弹性模量预测模型E_cell；S2：建立以力学试样的气干密度ρ和微纤丝角MFA为自变量的木材宏观纵向抗拉弹性模量E的预测模型：E＝a×(ρ/ρ_cell)E_cell+b；S3：在与S2中同一力学试样上测量木材顺纹抗拉弹性模量、气干密度和MFA，将所测数据代入所述E中，并进行线性回归，求得系数a和b，完成木材宏观纵向抗拉弹性模量E的建立；S4：从活立木中钻取生长锥，测定所述生长锥从髓心到树皮多点的气干密度和MFA，并代入步骤S3之后的模型E中，获得活立木纵向弹性模量的预测值和分布规律。本发明实现了对活立木力学性能的无损、准确测量。

Description

活立木力学性能无损检测方法

技术领域

本发明涉及材料性能检测技术领域，特别涉及一种活立木力学性能无损检测方法。

背景技术

力学性能是描述木材应用的重要评价参数，是评价营林培育效果的关键指标。木材力学性能的传统检测方法是将树木伐倒后，制作规定尺寸的试样，再用力学试验机直接测定或应用无损检测技术如超声波、应力波等技术间接测定，这种检测方法成本高、效率低、而且是破坏性的。而现代林木培育领域迫切需要一种能够对一大片活立木的力学性能进行快速无损评价的技术，以便在树木生长的早期便能对其性能进行预报，从而灵活地对营林和培育措施进行相应调整。此外，木材加工行业也需要一种可对成熟用材林木材力学性能进行快速评价的技术，以确定其最佳用途，显著提高经济效益。因此，对活立木力学性能的无损检测技术的研究开发具有重要的科学意义和实用价值。

当前，活立木的无损检测方法可归纳为两类，一类是使用试验仪器直接对活立木进行原位检测，如利用应力波技术评价树木内部腐朽等缺陷，从而进行古树检测与修复及行道树的安全性能评价，这种方法适用于树木内部缺陷评价，无法获得树木的绝对力学性能；另一类是低损地从活立木取样，即钻取生长锥，然后测定生长锥的密度和微纤丝角，再根据事先建立好的模型预测活立木的力学性能。如澳大利亚墨尔本林产品研究所通过测定生长锥的气干密度和微纤丝角，然后通过模型E＝A(I_CVρ)^B可以预测活立木的纵向弹性模量。然而，该模型是一个基于实验测量的纯经验模型，适用性窄，需要针对每个树种建立相应的预测模型。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何无损、准确地测量活立木力学性能。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种活立木力学性能无损检测方法，包括以下步骤：

S1：建立木材细胞壁纵向弹性模量预测模型E_cell：

E_cell＝f(MFA)；

S2：建立以木材力学试样的气干密度ρ和微纤丝角MFA为自变量的木材宏观纵向抗拉弹性模量E的预测模型：E＝a×(ρ/ρ_cell)E_cell+b；其中ρ_cell为细胞壁密度，a和b为系数；

S3：在与S2中同一力学试样上测量木材顺纹抗拉弹性模量、气干密度和MFA，将所测数据代入所述E中，并进行线性回归，求得系数a和b，完成木材宏观纵向抗拉弹性模量E的建立；

S4：从活立木中钻取生长锥，测定其从髓心到树皮多点的气干密度和MFA，并代入步骤S3之后的模型E中，获得活立木宏观纵向抗拉弹性模量预测值和分布规律。

其中，所述步骤S1具体包括：

获取针叶木材细胞壁各层的结构、化学组成及细胞壁三大主成分的弹性常数；

利用复合材料力学混合定量计算木材细胞壁各层木素/半纤维素基质的弹性常数，并结合细胞壁各层纤维素骨架物质与木素/半纤维素基质之间的体积比计算木材细胞壁各层的弹性常数；

利用经典层板理论建立以细胞壁第二层微纤丝角为唯一自变量的细胞壁纵向弹性模量预测模型E_cell。

其中，所述木材细胞壁纵向弹性模量E_cell的模型中，细胞壁中初生壁的微纤丝呈无序排列，与胞间层一起组成各向同性的复合胞间层M+P；细胞壁中M+P层、次生壁S1和S3层的MFA沿细胞长轴方向为常数；细胞壁的化学组成为常数；次生壁S2层的MFA为模型E_cell的唯一自变量；细胞壁的半纤维素视为各向同性材料，它的等效弹性模量为其在其纵向和横向弹性模量的均值。

其中，所述步骤S4中钻取的生长锥直径为4mm～12mm，并将其制成厚度为1mm～3mm的径向薄片。

其中，步骤S3和S4中的气干密度和MFA使用X射线衍射仪测量。

其中，所述力学试样为国标顺纹抗拉试样，或者厚度在1mm～3mm之间的长条型薄片状非标准试样。

其中，所述力学试样为厚度在1mm～3mm之间的长条型薄片状非标准试样。

(三)有益效果

本发明的活立木力学性能无损检测方法通过建立预测活立木力学性能的模型，在此基础上结合现代X射线衍射技术测量模型的关键参数气干密度和微纤丝角实现了对活立木力学性能的无损、准确地测量；该方法能够有效监测和评价人工营林措施对速生林木材性能的影响，以及实现工业领域对速生木材的选择性利用，即为人工林的营林培育和加工利用以有效的科学指导。

附图说明

图1是本发明实施例的一种活立木力学性能无损检测方法流程图；

图2是本发明的方法中对木材细胞壁结构进行了简化的示意图；

图3是应用软件计算的木材细胞壁纵向弹性模量与平均微纤丝角的关系曲线；

图4是试样弹性模量实测值与采用图1中方法测得的试样弹性模量预测值与的关系图，横坐标是根据预测模型式E计算的试样宏观纵向弹性模量(即预测值)，纵坐标是试样宏观纵向抗拉弹性模量的实测值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本发明基于木材细胞壁的多壁层结构，应用复合材料细观力学中的刚度预报理论和经典层板理论，结合细胞壁主要成分的力学性能及其壁层结构的主要特点，建立木材细胞壁纵向弹性模量预测模型来测量活立木的力学性能，具体流程如图1所示，包括：

步骤S101，建立木材细胞壁纵向弹性模量E_cell的计算理论模型：

E_cell＝f(MFA)；

(该模型具体内容参考：YU Yan，JIANG Ze-hui，TIAN Gen-lin.Sizeeffect on longitudinal MOE of microtomed wood sections and relevanttheoretical explanation.Forestry Study in China，2009，11(4)：243-248)

在建立该模型时需要从文献或者实验获取木材细胞壁各层的结构、化学组成、及细胞壁三大主成分的弹性常数，它们是理论计算的数据基础。再利用复合材料力学混合定量计算木材细胞壁各层木素/半纤维素基质的弹性常数，并结合细胞壁各层纤维素骨架物质与木素/半纤维素基质之间的体积比计算木材细胞壁各层的弹性常数。最后利用经典层板理论建立以细胞壁第二层微纤丝角为唯一自变量的细胞壁纵向弹性模量预测模型E_cell。

在模型E_cell中，初生壁内的微纤丝呈无序排列，与胞间层一起组成各向同性的复合胞间层(M+P)，并对细胞壁结构进行了简化。如图2所示，木材细胞壁各层看成是一个木素、半纤维素为基质，纤维素为增强体的天然连续纤维增强复合材料，其中细胞壁各层内的半纤维素无序、均匀地填充在木素的三维构架内，即把半纤维素视为各向同性材料，它的等效弹性模量取纵向和横向弹性模量的平均值；利用复合材料细观力学计算次生壁各层的正轴工程常数；细胞壁中M+P、S₁、S₃层微纤丝角沿细胞长轴方向视为常数，细胞壁的化学组成为常数。只有S₂层的微纤丝角为变量；把细胞壁视为层板结构，运用经典层板理论，建立了木材细胞壁的纵向弹性模量预测模型。如图3所示，为应用软件计算的木材细胞壁纵向弹性模量与平均微纤丝角的关系曲线。可知，在S₂层微纤丝角可能的变化范围内(0～45°)，细胞壁的纵向弹性模量随着角度的增大而迅速减小，但大致可以分为三个阶段：

1、在0～20°之间，微纤丝角对纵向弹性模量的影响程度随角度的增大而增大，其中在0～10°之间，微纤丝角的变化对细胞壁纵向弹性模量的影响较小；

2、在20～35°之间，管胞的纵向弹性模量随角度的增大几乎呈匀速下降；

3、大于35°以后，S₂层微纤丝角对细胞壁纵向弹性模量的影响程度随角度的增大而减小，直至趋于稳定。

步骤S102，以E_cell为基础建立以力学试样的气干密度ρ和微纤丝角MFA为自变量的木材宏观纵向抗拉弹性模量E的预测模型：

E＝a×(ρ/ρ_cell)E_cell+b；    (1)

其中ρ_cell为细胞壁密度，a和b为系数。

步骤S103，在与步骤S102中同一力学试样上测量木材顺纹抗拉弹性模量、气干密度和MFA，其中气干密度和MFA使用X射线衍射仪测量。将所测数据代入公式(1)中，并进行线性回归，求得系数a和b，完成木材宏观纵向抗拉弹性模量E的建立。在测量木材顺纹抗拉弹性模量、气干密度和MFA之前，将力学试样放进恒温箱平衡至平衡含水率为12％，所述恒温箱温度为19.5～20.5℃，相对湿度为60％～70％。

步骤S104，从活立木中钻取直径4～12mm的生长锥，将其制成厚度为1～3mm的径向薄片，使用X射线衍射仪测量所述径向薄片从髓心到树皮多点的气干密度和MFA，并代入步骤S3之后的模型E中，获得活立木纵向弹性模量的统计值和分布规律。

其中，上述步骤中用到的力学试样为国标顺纹抗拉试样。

下面取针叶树种代表之一杉木为研究对象，来进一步说明本发明。

步骤1、从文献或者实验获取针叶木材细胞壁各层的结构、化学组成、及细胞壁三大主成分的弹性常数，见表1和表2，它们是理论计算的数据基础，其中，0.5M+P表示一半的胞间层M与初生壁P。

表1  针叶材管胞细胞壁各层的结构和化学组成(体积比)

表2  纤维素、木素和半纤维素的主要弹性常数

步骤2、利用复合材料力学混合定量计算木材细胞壁各层木素/半纤维素基质的弹性常数，见表3。并结合细胞壁各层纤维素骨架物质与木素/半纤维素基质之间的体积比，见表4，计算木材细胞壁各层的弹性常数，见表5。

步骤3、利用经典层板理论建立以S₂层微纤丝角为唯一自变量的细胞壁纵向弹性模量预测模型，所需数据见表6。

表3  细胞壁各层木素/半纤维素基质的复合弹性常数

表4  管胞各层纤维素和木素/半纤维素之间的体积比

表5  管胞细胞壁各层的正轴弹性常数

表6  细胞壁各层的物理、力学常数

步骤4、按照国标GB1927-91《木材物理力学试材采集方法》从采集地选取了6株样木，分别在每株样木的4个不同名义高度：1.3m、4.2m、7.4m、9.8m处截取厚20cm的无明显缺陷的圆盘，气干，锯取过髓心的厚度为1cm的中心条，上下端面经刨光后距离为10cm，从髓心向树皮连续锯取厚1mm的薄弦切片，选择纹理通直的无疵试样(1mm(R)×10mm(T)×100mm(L))474个，所有试样需放进恒温恒湿箱(温度20℃±0.5℃，相对湿度65％±5％)平衡到平衡含水率12％。先用X射线衍射仪在同一个试样上测得气干密度和微纤丝角，再用力学试验机测定该试样的顺纹抗拉弹性模量。这样，从同一试样测得的气干密度、微纤丝角和顺纹抗拉弹性模量三个参量之间是高度一一对应的。

步骤5、从474组实验值中随机挑选316组数据代入式(1)中，求得系数a和b，建立了杉木纵向弹性模量的预测模型：

$E=1.251\×\frac{\mathrm{\ρ}}{1.515}f\left(\mathrm{MFA}\right)-4.161---\left(2\right)$

为了验证该模型的准确性，把剩余158组数据中的微纤丝角和气干密度数据组代入式(2)，得到该试样的纵向弹性模量预测值，并与其实测值进行线性回归(见图4)。图4是试样弹性模量预测值与实测值的关系图，横坐标是根据预测模型式(2)计算的试样纵向弹性模量，纵坐标是试样纵向抗拉弹性模量的实测值，二者的相关系数为0.898，高度相关，说明该模型的精度和稳健性比较高。进一步分析表明：158个试样的弹性模量预测平均值为12.12GPa(Grade PointAverage)，与实测平均值仅相差0.01GPa，预测残差标准偏差为1.68GPa。

步骤6、从活杉木中钻取直径在10mm左右生长锥，将其制程厚度为1～3mm左右的径向薄条，利用商业X射线衍射仪测量薄条从髓心到树皮多点的气干密度和微纤丝角，并代入(2)所述的模型中，从而获得活立木纵向弹性模量的统计值及分布规律。

实施例2

以杉木木材为处理对象，按以下步骤进行处理：

步骤1、参考实施例1中的步骤1到步骤3建立针叶木材细胞壁纵向弹性模量预测模型；

步骤2、测定杉木木材顺纹抗拉国标试样的弹性模量后，截取试样中间有效部分，试样选取厚度在1mm～3mm之间的长条型薄片状非标准试样，利用X射线衍射仪测定密度和微纤丝角；

步骤3、把步骤2测得的数据组的2/3数据量用于建模，直接代入木材宏观纵向抗拉弹性模量E的预测模型：

E＝a×(ρ/ρ_cell)E_cell+b

求得系数a和b，建立基于国标试样的杉木纵向弹性模量的预测模型

$E=1.2875\×\frac{\mathrm{\ρ}}{1.515}f\left(\mathrm{MFA}\right)-4.2784$

步骤4、将未参与建模的数据组代入上述模型中，所得的模量计算值与实测值进行线性回归分析，相关系数高达0.858，预测残差标准偏差为1.90GPa，说明本发明所述的方法对试样尺寸不敏感，建模时既可以是国标样也可以是非标试样。

实施例3

以阔叶材毛白杨为处理对象，按以下步骤进行处理：

步骤1、参考实施例2中的步骤1到步骤3建立毛白杨纵向弹性模量的预测模型；

步骤2、测定毛白杨木材顺纹抗拉国标试样的弹性模量后，截取试样中间有效部分，利用X射线衍射仪测定密度和微纤丝角；

步骤3、把步骤2测得的数据组的2/3数据量用于建模，直接代入木材宏观纵向抗拉弹性模量E的预测模型：

E＝a×(ρ/ρ_cell)E_cell+b

求得系数a和b，建立毛白杨纵向弹性模量的预测模型：

$E=1.2293\×\frac{\mathrm{\ρ}}{1.5}f\left(\mathrm{MFA}\right)-3.818$

步骤4、将未参与建模的数据组代入上述模型中，所得的模量计算值与实测值进行线性回归分析，相关系数高达0.806，预测残差标准偏差为1.98GPa，说明本发明所述的方法不受树种限制，既可以用来预测针叶材也可以用来预测阔叶材，适用性广。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种活立木力学性能无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立木材细胞壁纵向弹性模量预测模型E_cell：

E_cell=f(MFA)；

S2：建立以木材力学试样的气干密度ρ和微纤丝角MFA为自变量的木材宏观纵向抗拉弹性模量E的预测模型：E=a×(ρ/ρ_cell)E_cell+b；其中ρ_cell为细胞壁密度，a和b为系数；

S3：在与S2中同一力学试样上测量木材顺纹抗拉弹性模量、气干密度和MFA，将所测数据代入所述木材宏观纵向抗拉弹性模量E的预测模型中，并进行线性回归，求得系数a和b，完成木材宏观纵向抗拉弹性模量E的建立；

S4：从活立木中钻取生长锥，测定其从髓心到树皮多点的气干密度和MFA，并代入步骤S3之后的木材宏观纵向抗拉弹性模量E的预测模型中，获得活立木宏观纵向抗拉弹性模量预测值和分布规律。

2.如权利要求1所述的活立木力学性能无损检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

获取针叶木材细胞壁各层的结构、化学组成及细胞壁三大主成分的弹性常数；

利用复合材料力学混合定量计算木材细胞壁各层木素/半纤维素基质的弹性常数，并结合细胞壁各层纤维素骨架物质与木素/半纤维素基质之间的体积比计算木材细胞壁各层的弹性常数；

利用经典层板理论建立以细胞壁第二层微纤丝角为唯一自变量的细胞壁纵向弹性模量预测模型E_cell。

3.如权利要求2所述的活立木力学性能无损检测方法，其特征在于，所述木材细胞壁纵向弹性模量E_cell的模型中，细胞壁中初生壁的微纤丝呈无序排列，与胞间层一起组成各向同性的复合胞间层M+P；细胞壁中M+P层、次生壁S₁和S₃层的MFA沿细胞长轴方向为常数；细胞壁的化学组成为常数；次生壁S₂层的MFA为模型E_cell的唯一自变量；细胞壁的半纤维素视为各向同性材料，它的等效弹性模量为其在其纵向和横向弹性模量的均值。

4.如权利要求1～3中任一项所述的活立木力学性能无损检测方法，其特征在于，所述步骤S4中钻取的生长锥直径为4mm～12mm，并将其制成厚度为1mm～3mm的径向薄片。

5.如权利要求4所述的活立木力学性能无损检测方法，其特征在于，步骤S3和S4中的气干密度和MFA使用X射线衍射仪测量。

6.如权利要求4所述的活立木力学性能无损检测方法，其特征在于，所述力学试样为国标顺纹抗拉试样，或者厚度在1mm～3mm之间的长条型薄片状非标准试样。

7.如权利要求4所述的活立木力学性能无损检测方法，其特征在于，所述力学试样为厚度在1mm～3mm之间的长条型薄片状非标准试样。