CN115931596B - 一种结构用锯材的质量控制系统及方法 - Google Patents

一种结构用锯材的质量控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明专利公开了一种结构用锯材的质量控制系统及方法，所述系统包括试验测试模块、试验性能统计模块、数字仿真模块和边界参数设置模块，本发明专利中，通过采用数字仿真大数据样本生成技术来构建结构用锯材的基础数据库，并综合考虑抗弯强度、抗弯弹性模量、密度来确定不同强度等级结构用锯材对应的边界参数值，并基于该质量控制系统采用弹性模量来划分结构用锯材的强度等级，制造的结构用锯材强度变异系数控制在20％以内，相对于传统方法获得的结构用锯材的强度变异系数能较少15％以上，本发明方法能够解决国产人工林木材制造结构用锯材存在的离散性大、强度低、用料成本高等问题，推进国产人工林木材作为绿色建材在建筑结构中的应用。

Description

一种结构用锯材的质量控制系统及方法
技术领域
本发明专利涉及绿色建材技术领域，具体为一种结构用锯材的质量控制系统及方法。
背景技术
据第九次全国森林资源清查结果显示，我国人工林的总面积为7954万公顷、蓄积量为338760万m3，均居世界首位，木结构建筑是最契合“碳中和”理念的建造方式，而结构用锯材是现代木结构建筑中最常用建筑材料之一，因此，需要确定结构用锯材的质量控制系统及方法，保障其在现代木结构中的安全使用和经济使用的需求。
但由于缺乏科学技术支撑，对于国产人工林木材制造的结构用锯材，仍然基于传统方法采用表观外部缺陷来对其进行质量分级，该传统方法获得的结构用锯材的强度变异系数较大，一般超35％以上，导致在进行建筑结构设计时，需要使用的结构用锯材原材料更多、成本更高，从而决定了国产人工林制结构用锯材相对于国外进口的结构用锯材产品的竞争力低，也导致了目前我国结构用锯材市场基本完全由国外进口材占据，我国丰富的人工林木材仅被作为基材用于门窗、地板、家具等非结构应用领域，附加值较低。
经过有关文献和资料检索，如中国标准GB 50005、GB/T 29897、GB/T 4822、GB/T4823、GB/T 50206、GB/T 28993等标准仅规定了锯材的力学性能测试方法，以及依靠结构用锯材表观外部缺陷进行质量分级的方法，该传统质量控制方法依靠人工经验，获得的不同强度等级的结构用锯材的强度离散性大；已公开的专利“一种应力波锯材分等装置及方法”(申请号：202010337954.7)、“一种结构用木材弯曲强度检测设备与方法”(申请号：201210094608.6)、“结构用木材规格材的抗弯力学性能检测方法”(申请号：201210059691.3)，以及论文林产工业2013年第40卷第6期第41-43页的“FD1146结构用锯材应力分等设备的研制及应用”、科技导报2011年第29卷第6期第54-56页的“机械应力分等法评估落叶松结构用锯材力学性质”、林产工业2020年第57卷第9期第41-44页的“结构用锯材分等及胶合木制备工艺研究进展”，均是基于结构用锯材的试验数据进行的设备验证、简单线性关系回归分析，尚未解决结构用锯材的质量控制系统如何构建以及基于质量控制系统如何进行结构用锯材强度等级划分的问题，导致国产人工林木材制造结构用锯材的离散性大、强度低、用料成本高，难以在市场中进行实际推广应用。
从上述文献公开内容可知，目前对于结构用锯材的质量控制系统及方法尚缺乏相应的相应技术，尚不能满足本领域制造与安全使用的需要。
因此，通过提出结构用锯材的质量控制系统及方法，实现由国产人工林木材制备出高强度结构用锯材产品，并精准评估结构用锯材的强度等级，保障结构用锯材产品的质量合格和安全应用，这对促进国产人工林木材作为结构材在现代木结构中的高附加值应用，推进我国建立自主知识产权的木结构体系，具有十分重要的意义。
发明专利内容
本发明专利的目的在于提供一种结构用锯材的质量控制系统及方法，为实现上述目的，本发明专利提供如下技术方案：一种结构用锯材的质量控制系统，所述系统包括试验测试模块、试验性能统计模块、数字仿真模块和边界参数设置模块，其中试验测试模块用于获取结构用锯材的实测物理力学性能信息，试验性能统计模块用于计算结构用锯材的实测力学性能统计值和相关性，数字仿真模块用于生成结构用锯材基础数据库样本、计算基础数据库样本力学性能特征值，边界参数设置模块用于确定不同强度等级结构用锯材对应的特征值边界参数值，，所述试验性能统计模块包括基本参数统计子模块和相关性统计子模块，所述基本参数统计子模块对上述测试所有锯材试样的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量进行统计，得到锯材试样的密度平均值和标准差，分别记为mρ,1、sρ,1，锯材试样的抗弯强度平均值和标准差，分别记为mf,1、sf,1，锯材试样的抗弯弹性模量的平均值和标准差，分别记为mE,1、sE,1；所述相关性统计子模块，对上述试验测试的所有锯材试样的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量进行线性回归和统计分析，得到试样抗弯强度与抗弯弹性模量的相关系数为RfE,1、协方差为CovfE,1，试样抗弯强度与密度的相关系数为Rρf,1、协方差为Covρf,1，试样抗弯弹性模量与密度的相关系数为RρE,1、协方差为CovρE,1，所述数字仿真模块包括基础数据库生成子模块和统计值检验子模块，所述基础数据库生成子模块包含以下步骤：
P1-1采用标准正态分布随机函数randn生成一个包含3列、n行的矩阵A，n≥100000；
P1-2基于上述试验性能统计模块得到的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量的标准差、协方差，构建一个3×3矩阵，记为矩阵B，矩阵B的表达式为：
P1-3将矩阵B通过cholesky分解得到矩阵C，即矩阵B＝C×C’；
P1-4再由矩阵A乘以矩阵C，得到矩阵D，即D＝A×C；
P1-5最后将矩阵D的第一列均加一数值mf,1、第二列均加一数值mE,1、第三列均加一数值mρ,1后变换为矩阵F，矩阵F即为数字仿真随机生成的结构用锯材的基础数据库，矩阵F的第1、2、3列分别代表数字仿真随机生成的抗弯强度、抗弯弹性模量和密度，
所述统计值检验子模块包含以下步骤：
P2-1统计上述矩阵F的第1列数据的平均值和标准差，分别记为mF,1、sF,1，第2列数据的平均值和标准差，分别记为mF,2、sF,2，第3列数据的平均值和标准差，分别记为mF,3、sF,3，第1列数据与第2列数据的线性相关系数为RF,1-2和协方差CovF,1-2，第1列数据与第3列数据的线性相关系数为RF,1-3和协方差CovF,1-3，第2列数据与第3列数据的线性相关系数为RF,2-3和协方差CovF,2-3，
P2-2检验上述矩阵F的统计值是否符合：|mF,1-mf,1|/mf,1≤1％、|sF,1-sf,1|/sf,1≤1％、|mF,2-mE,1|/mE,1≤1％、|sF,2-sE,1|/sE,1≤1％、|mF,3-mρ,1|/mρ,1≤1％、|sF,3-sρ,1|/sρ,1≤1％、|RF,1-2-RfE,1|/RfE,1≤1％、|RF,1-3-RρE,1|/RρE,1≤1％、|RF,2-3-RρE,1|/RρE,1≤1％、|CovF,1-2-CovfE,1|/CovfE,1≤1％、|CovF,1-3-Covρf,1|/Covρf,1≤1％、|CovF,2-3-CovρE,1|/CovρE,1≤1％，如符合，则矩阵F可视为结构用锯材的基础数据库，如不符合，则应按照上述步骤再重新生成结构用锯材的基础数据库，并开展步骤检验，直至符合为止。
优选的，所述试验测试模块包括抽样子模块和测试子模块，所述抽样子模块为选取不少于2个树种，每个树种抽选锯材试样数不少于150根，所述测试子模块为将上述抽选的锯材试样进行称重和抗弯测试，获得每根锯材试样的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量。
优选的，所述边界参数设置模块包括第一控制参数子模块和第二控制参数子模块，所述第一控制参数子模块以上述矩阵F的第2列按照从大到小的顺序对矩阵F进行重新排序，记为矩阵G，基于矩阵G的第1列确定对应强度等级的抗弯强度的平均值和5％分位值，基于矩阵G的第2列确定对应不同强度等级的抗弯弹性模量的平均值，基于矩阵G的第3列确定对应不同强度等级的密度的平均值和5％分位值；所述第二控制参数子模块，以上述矩阵F的第1列按照从大到小的顺序对矩阵F进行重新排序，记为矩阵H，基于矩阵H的第2列确定对应不同强度等级的抗弯弹性模量的5％分位值。
一种结构用锯材的质量控制方法，其方法包括如下步骤：
S1获取结构用锯材试样基本力学性能；
S2划分结构用锯材的强度等级。
优选的，所述S1中，获取每根结构用锯材试样的抗弯弹性模量、抗弯强度和密度数据，记为矩阵I，矩阵I的第1、2、3列分别代表结构用锯材试样的抗弯弹性模量、抗弯强度和密度。
优选的，所述S2中，包括以下步骤：
S2-1以上述矩阵I的第1列按照从大到小的顺序对矩阵I进行重新排序，记为矩阵J，基于矩阵J的第2列确定不同弹性模量范围内对应的抗弯强度的平均值和5％分位值，基于矩阵J的第3列确定不同弹性模量范围内对应的密度的平均值和5％分位值；
S2-2基于上述步骤确定的抗弯强度的平均值和5％分位值，在基于上述边界参数设置模块确定的不同强度等级对应的抗弯强度的平均值和5％分位值，确定结构用锯材不同弹性模量范围内对应的强度等级。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果如下：
本发明专利中，通过采用数字仿真大数据样本生成技术来构建结构用锯材的基础数据库，并综合考虑抗弯强度、抗弯弹性模量、密度来确定不同强度等级结构用锯材对应的边界参数值，并基于该质量控制系统采用弹性模量来划分结构用锯材的强度等级，制造的结构用锯材强度变异系数控制在20％以内，相对于传统方法获得的结构用锯材的强度变异系数能减少15％以上，本发明方法能够解决国产人工林木材制造结构用锯材存在的离散性大、强度低、用料成本高等问题，推进国产人工林木材作为绿色建材在建筑结构中的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构用锯材质量控制系统构建的流程图；
图2为本发明结构用锯材质量控制系统构建过程中试验测试获得的结构用锯材力学性能附图；
图3为本发明结构用锯材质量控制系统构建过程中数字仿真获得的结构用锯材力学性能附图；
图4为本发明结构用锯材质量控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明专利中的实施例，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
实施例1
请参考附图1-4，一种结构用锯材的质量控制系统，见图1，包括：
试验测试模块：
①抽样子模块，选取人工林杉木结构用锯材675根、落叶松结构用锯材1075根，每根锯材试样的尺寸为4000mm(长度)×90mm(宽度)×40mm(厚度)；
②测试子模块，将上述抽选的锯材试样进行称重和抗弯测试，获得每根锯材试样的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量，见图2。
试验性能统计模块：
①基本参数统计子模块，对上述测试所有锯材试样的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量进行统计，得到锯材试样的密度平均值和标准差，分别记为mρ,1、sρ,1，锯材试样的抗弯强度平均值和标准差，分别记为mf,1、sf,1，锯材试样的抗弯弹性模量的平均值和标准差，分别记为mE,1、sE,1，
②相关性统计子模块，对上述试验测试的所有锯材试样的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量进行线性回归和统计分析，得到试样抗弯强度与抗弯弹性模量的相关系数为RfE,1、协方差为CovfE,1，试样抗弯强度与密度的相关系数为Rρf,1、协方差为Covρf,1，试样抗弯弹性模量与密度的相关系数为RρE,1、协方差为CovρE,1，如表1和表2所示。
表1结构用锯材的试验统计平均值和标准差
表2结构用锯材的试验结果的相关性统计
数字仿真模块：
①基础数据库生成子模块，采用标准正态分布随机函数randn生成一个包含3列、n行的矩阵A，n＝100000；
基于上述试验性能统计模块得到的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量的标准差、协方差，构建一个3×3矩阵，记为矩阵B，矩阵B的表达式为：
将矩阵B通过cholesky分解得到矩阵C，
再由矩阵A乘以矩阵C，得到矩阵D，即D＝A×C；
最后将矩阵D的第一列均加一数值mf,1、第二列均加一数值mE,1、第三列均加一数值mρ,1后变换为矩阵F，矩阵F即为数字仿真随机生成的结构用锯材的基础数据库，矩阵F的第1、2、3列分别代表数字仿真随机生成的抗弯强度、抗弯弹性模量和密度，见图3；
②统计值检验子模块，统计上述矩阵F的第1列数据的平均值和标准差，分别记为mF,1、sF,1，第2列数据的平均值和标准差，分别记为mF,2、sF,2，第3列数据的平均值和标准差，分别记为mF,3、sF,3，第1列数据与第2列数据的线性相关系数为RF,1-2和协方差CovF,1-2，第1列数据与第3列数据的线性相关系数为RF,1-3和协方差CovF,1-3，第2列数据与第3列数据的线性相关系数为RF,2-3和协方差CovF,2-3，如表3和表4所示。
表3结构用锯材的数字仿真统计平均值和标准差
表4结构用锯材的数字仿真结果的相关性统计
检验上述矩阵F的统计值符合：|mF,1-mf,1|/mf,1≤1％、|sF,1-sf,1|/sf,1≤1％、|mF,2-mE,1|/mE,1≤1％、|sF,2-sE,1|/sE,1≤1％、|mF,3-mρ,1|/mρ,1≤1％、|sF,3-sρ,1|/sρ,1≤1％、|RF,1-2-RfE,1|/RfE,1≤1％、|RF,1-3-RρE,1|/RρE,1≤1％、|RF,2-3-RρE,1|/RρE,1≤1％、|CovF,1-2-CovfE,1|/CovfE,1≤1％、|CovF,1-3-Covρf,1|/Covρf,1≤1％、|CovF,2-3-CovρE,1|/CovρE,1≤1％，矩阵F可视为结构用锯材的基础数据库。
边界参数设置模块包括：
①第一控制参数子模块，以上述矩阵F的第2列按照从大到小的顺序对矩阵F进行重新排序，记为矩阵G，基于矩阵G的第1列确定对应强度等级的抗弯强度的平均值和5％分位值，基于矩阵G的第2列确定对应不同强度等级的抗弯弹性模量的平均值，基于矩阵G的第3列确定对应不同强度等级的密度的平均值和5％分位值；
②第二控制参数子模块，以上述矩阵F的第1列按照从大到小的顺序对矩阵F进行重新排序，记为矩阵H，基于矩阵H的第2列确定对应不同强度等级的抗弯弹性模量的5％分位值，见表5。
表5结构用锯材不同强度等级对应的边界参数值
实施例2
基于实施例1构建的结构用锯材质量控制系统，结构用锯材的质量控制方法，如图4所示，包括以下步骤：
获取人工林杉木结构用锯材试样基本力学性能：
选取200根人工林杉木结构用锯材，获取每根结构用锯材试样的抗弯弹性模量、抗弯强度数据和密度，记为矩阵I，矩阵I的第1、2、3列分别代表结构用锯材试样的抗弯弹性模量、抗弯强度和密度，
划分结构用锯材的强度等级包括：
①以上述矩阵I的第1列按照从大到小的顺序对矩阵I进行重新排序，记为矩阵J，基于矩阵J的第2列确定不同弹性模量范围内对应的抗弯强度的平均值和5％分位值，基于矩阵J的第3列确定不同弹性模量范围内对应的密度的平均值和5％分位值；
②基于上述步骤①确定的抗弯强度的平均值和5％分位值，在基于上述边界参数设置模块确定的不同强度等级对应的抗弯强度的平均值和5％分位值(表5)，确定结构用锯材不同弹性模量范围内对应的强度等级，见表6。
表6人工林杉木结构用锯材强度等级判定
尽管已经示出和描述了本发明专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明专利的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明专利的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种结构用锯材的质量控制系统，其特征在于：所述系统包括试验测试模块、试验性能统计模块、数字仿真模块和边界参数设置模块，其中试验测试模块用于获取结构用锯材的实测物理力学性能信息，试验性能统计模块用于计算结构用锯材的实测力学性能统计值和相关性，数字仿真模块用于生成结构用锯材基础数据库样本、计算基础数据库样本力学性能特征值，边界参数设置模块用于确定不同强度等级结构用锯材对应的特征值边界参数值，所述试验性能统计模块包括基本参数统计子模块和相关性统计子模块，所述基本参数统计子模块对上述测试所有锯材试样的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量进行统计，得到锯材试样的密度平均值和标准差，分别记为mρ,1、sρ,1，锯材试样的抗弯强度平均值和标准差，分别记为mf,1、sf,1，锯材试样的抗弯弹性模量的平均值和标准差，分别记为mE,1、sE,1；所述相关性统计子模块，对上述试验测试的所有锯材试样的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量进行线性回归和统计分析，得到试样抗弯强度与抗弯弹性模量的相关系数为RfE,1、协方差为CovfE,1，试样抗弯强度与密度的相关系数为Rρf,1、协方差为Covρf,1，试样抗弯弹性模量与密度的相关系数为RρE,1、协方差为CovρE,1，所述数字仿真模块包括基础数据库生成子模块和统计值检验子模块，所述基础数据库生成子模块包含以下步骤：
P1-1采用标准正态分布随机函数randn生成一个包含3列、n行的矩阵A，n≥100000；
P1-2基于上述试验性能统计模块得到的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量的标准差、协方差，构建一个3×3矩阵，记为矩阵B，矩阵B的表达式为：
P1-3将矩阵B通过cholesky分解得到矩阵C，即矩阵B＝C×C’；
P1-4再由矩阵A乘以矩阵C，得到矩阵D，即D＝A×C；
P1-5最后将矩阵D的第一列均加一数值mf,1、第二列均加一数值mE,1、第三列均加一数值mρ,1后变换为矩阵F，矩阵F即为数字仿真随机生成的结构用锯材的基础数据库，矩阵F的第1、2、3列分别代表数字仿真随机生成的抗弯强度、抗弯弹性模量和密度，
所述统计值检验子模块包含以下步骤：
P2-1统计上述矩阵F的第1列数据的平均值和标准差，分别记为mF,1、sF,1，第2列数据的平均值和标准差，分别记为mF,2、sF,2，第3列数据的平均值和标准差，分别记为mF,3、sF,3，第1列数据与第2列数据的线性相关系数为RF,1-2和协方差CovF,1-2，第1列数据与第3列数据的线性相关系数为RF,1-3和协方差CovF,1-3，第2列数据与第3列数据的线性相关系数为RF,2-3和协方差CovF,2-3，P2-2检验上述矩阵F的统计值是否符合：mF,1-mf,1/mf,1≤1％、sF,1-sf,1/sf,1≤1％、mF,2-mE,1/mE,1≤1％、
sF,2-sE,1/sE,1≤1％、mF,3-mρ,1/mρ,1≤1％、sF,3-sρ,1/sρ,1≤1％、
RF,1-2-RfE,1/RfE,1≤1％、RF,1-3-RρE,1/RρE,1≤1％、RF,2-3-RρE,1/RρE,1≤1％、
CovF,1-2-CovfE,1/CovfE,1≤1％、CovF,1-3-Covρf,1/Covρf,1≤1％、
CovF,2-3-CovρE,1/CovρE,1≤1％，如符合，则矩阵F可视为结构用锯材的基础数据库，如不符合，则应按照上述步骤再重新生成结构用锯材的基础数据库，并开展步骤检验，直至符合为止。
2.根据权利要求1所述的一种结构用锯材的质量控制系统，其特征在于：所述试验测试模块包括抽样子模块和测试子模块，所述抽样子模块为选取不少于2个树种，每个树种抽选锯材试样数不少于150根，所述测试子模块为将上述抽选的锯材试样进行称重和抗弯测试，获得每根锯材试样的密度、抗弯强度和抗弯弹性模量。
3.根据权利要求2所述的一种结构用锯材的质量控制系统，其特征在于：所述边界参数设置模块包括第一控制参数子模块和第二控制参数子模块，所述第一控制参数子模块以上述矩阵F的第2列按照从大到小的顺序对矩阵F进行重新排序，记为矩阵G，基于矩阵G的第1列确定对应强度等级的抗弯强度的平均值和5％分位值，基于矩阵G的第2列确定对应不同强度等级的抗弯弹性模量的平均值，基于矩阵G的第3列确定对应不同强度等级的密度的平均值和5％分位值；所述第二控制参数子模块，以上述矩阵F的第1列按照从大到小的顺序对矩阵F进行重新排序，记为矩阵H，基于矩阵H的第2列确定对应不同强度等级的抗弯弹性模量的5％分位值。
4.一种结构用锯材的质量控制方法，采用如权利要求1所述的质量控制系统，其特征在于：其方法包括如下步骤：
S1获取结构用锯材试样基本力学性能；
S2划分结构用锯材的强度等级。
5.根据权利要求4所述的一种结构用锯材的质量控制方法，其特征在于：所述S1中，获取每根结构用锯材试样的抗弯弹性模量、抗弯强度和密度数据，记为矩阵I，矩阵I的第1、2、3列分别代表结构用锯材试样的抗弯弹性模量、抗弯强度和密度。
6.根据权利要求5所述的一种结构用锯材的质量控制方法，其特征在于：所述S2中，包括以下步骤：
S2-1以上述矩阵I的第1列按照从大到小的顺序对矩阵I进行重新排序，记为矩阵J，基于矩阵J的第2列确定不同弹性模量范围内对应的抗弯强度的平均值和5％分位值，基于矩阵J的第3列确定不同弹性模量范围内对应的密度的平均值和5％分位值；
S2-2基于上述步骤确定的抗弯强度的平均值和5％分位值，在基于上述边界参数设置模块确定的不同强度等级对应的抗弯强度的平均值和5％分位值，确定结构用锯材不同弹性模量范围内对应的强度等级。
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