CN116029106A - 一种胶合木层板单元的质量控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种胶合木层板单元的质量控制系统及方法,该专利以胶合木层板单元足尺顺纹抗拉测试物理力学性能信息为基础,通过采用数字仿真大数据样本生成技术来构建胶合木层板单元的基础数据库,并综合考虑密度、顺纹抗拉弹性模量、顺纹抗拉强度来确定不同强度等级胶合木层板单元对应的边界参数值,并基于该质量控制系统采用弹性模量来划分胶合木层板单元的强度等级,制造的胶合木层板单元强度变异系数控制在20%以内,相对于传统方法获得的胶合木层板单元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胶合木层板单元存在的离散性大、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
技术领域
本发明专利涉及绿色建材技术领域,具体为一种胶合木层板单元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,另外,胶合木结构已经成为国内外最主流的木结构形式之一,目前我国木结构企业中,从事胶合木结构生产、制造加工的企业占比超过80%,因此,需要确定胶合木层板单元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。
但由于我国现代木结构技术尚不完善,缺乏科学技术支撑,对于国产人工林木材制造的胶合木层板单元,仍然基于传统方法仅采用树种及其表观外部缺陷来对其进行质量分级,该传统方法获得的胶合木层板单元的强度变异系数较大,以顺纹抗拉强度为例,其变异系数一般接近40%,从而在进行建筑结构设计时,需要使用的胶合木层板单元原材料更多、成本更高,决定了国产人工林制胶合木层板单元相对于国外进口的结胶合木层板单元产品的竞争力低,因此目前我国胶合木层板单元基本完全依赖国外进口,我国丰富的人工林木材通常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 26899、GB/T50708等标准仅规定了胶合木的通识性设计方法要求,以及依靠胶合木层板单元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胶合木层板单元的强度离散性大;已公开的专利“一种基于木材气干密度参数的胶合木构件加压制备工艺”(申请号:201310724445.X)、“一种结构用胶合木及其制造方法”(申请号:200910085638.9)、“一种高强度胶合木的制造技术”(申请号:202111473721.0),以及论文林产工业2014年第41卷第1期第13-18页的“落叶松结构用胶合木层板指接工艺参数对力学性能的影响”、世界林业研究2011年第24卷第6期第43-48页的“结构用胶合木生产工艺研究进展”、林业科学2016年第52卷第9期第107-122页的“结构用集成材落叶松层板指接工艺”、林业科技2014年第39卷第3期第50-52页的“组坯层数对集成材弯曲性能的影响”,均是基于胶合木层板单元进行的胶合、指接等制造工艺方面的研究,尚未解决胶合木层板单元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胶合木层板单元强度等级划分的问题,导致国产人工林木材制造胶合木层板单元的离散性大、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,目前对于胶合木层板单元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,通过提出胶合木层板单元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胶合木层板单元,并精准评估胶合木层板单元的强度等级,保障胶合木层板单元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胶合木层板单元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:一种胶合木层板单元的质量控制系统,所述该系统包括试验模块、试验性能统计模块、数字仿真模块和边界参数设置模块,所述试验模块基于足尺顺纹抗拉测试获取胶合木层板单元的实测物理力学性能信息,所述试验性能统计模块用于计算胶合木层板单元的实测力学性能统计值和相关性,所述数字仿真模块用于构建胶合木层板单元基础数据库样本、计算基础数据库样本力学性能特征值,所述边界参数设置模块用于确定不同强度等级胶合木层板单元对应的特征值边界参数值。
优选的,所述试验模块包括抽样子模块和测试子模块,所述抽样子模块选取不少于2个树种,每个树种抽选胶合木层板单元试样数不少于100根;所述测试子模块将上述抽选的胶合木层板单元试样进行称重和足尺顺纹抗拉测试,获得每根胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度。
优选的,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胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度进行统计,得到胶合木层板单元试样的密度平均值和标准差,分别记为mρ、sρ,胶合木层板单元试样的顺纹抗拉弹性模量平均值和标准差,分别记为mE、sE,胶合木层板单元试样的顺纹抗拉强度的平均值和标准差,分别记为mf、sf,所述相关性统计子模块,对上述试验测试的所有胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度进行线性回归和统计分析,得到试样密度与顺纹抗拉弹性模量的相关系数为RρE、协方差为CovρE,试样密度与顺纹抗拉强度的相关系数为Rρf、协方差为Covρf,试样顺纹抗拉弹性模量与顺纹抗拉强度的相关系数为REf、协方差为CovEf。
优选的,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、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度的标准差、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mρ、第二列均加一数值mE、第三列均加一数值mf后变换为矩阵F,矩阵F即为数字仿真随机生成的胶合木层板单元的基础数据库,矩阵F的第1、2、3列分别代表数字仿真随机生成的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度;
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-mρ|/mρ≤1%、|sF,1-sρ|/sρ≤1%、|mF,2-mE|/mE≤1%、|sF,2-sE|/sE≤1%、|mF,3-mE|/mE≤1%、|sF,3-sE|/sE≤1%、|RF,1-2-RρE|/RρE≤1%、|RF,1-3-Rρf|/Rρf≤1%、|RF,2-3-REf|/REf≤1%、|CovF,1-2-CovρE|/CovρE≤1%、|CovF,1-3-Covρf|/Covρf≤1%、|CovF,2-3-CovEf|/CovEf≤1%,
如符合,则矩阵F可视为胶合木层板单元的基础数据库,如不符合,则应按照上述步骤再重新生成胶合木层板单元的基础数据库,并开展步骤检验,直至符合为止。
优选的,所述边界参数值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密度的平均值和5%分位值,基于矩阵G的第2列确定对应不同强度等级的顺纹抗拉弹性模量的平均值,基于矩阵G的第3列确定对应不同强度等级的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值;所述第二控制参数子模块,以上述矩阵F的第3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顺纹抗拉弹性模量的5%分位值。
一种胶合木层板单元的质量控制方法,其特征在于:其方法包括以下步骤:
S1获取胶合木层板单元试样基本力学性能;
S2划分胶合木层板单元的强度等级
优选的,所述S1中,获取每根胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度数据,记为矩阵I,矩阵I的第1、2、3列分别代表胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度。
优选的,所述S2中,包括以下步骤:
S2-1以上述矩阵I的第2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1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,基于矩阵J的第3列确定不同弹性模量范围内对应的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值;
S2-2基于上述步骤确定的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值,在基于上述边界参数值设置模块确定的不同强度等级对应的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值,确定胶合木层板单元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:
本发明专利以胶合木层板单元足尺顺纹抗拉测试物理力学性能信息为基础,通过采用数字仿真大数据样本生成技术来构建胶合木层板单元的基础数据库,并综合考虑密度、顺纹抗拉弹性模量、顺纹抗拉强度来确定不同强度等级胶合木层板单元对应的边界参数值,并基于该质量控制系统采用弹性模量来划分胶合木层板单元的强度等级,制造的胶合木层板单元强度变异系数控制在20%以内,相对于传统方法获得的胶合木层板单元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胶合木层板单元存在的离散性大、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。
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1-4,一种胶合木层板单元的质量控制系统,见图1,包括:
试验模块:
①抽样子模块,选取人工林杉木胶合木层板单元300根、落叶松胶合木层板单元300根,每根胶合木层板单元试样的尺寸为4000mm(长度)×140mm(宽度)×40mm(厚度);
②测试子模块,将上述抽选的胶合木层板单元试样进行称重和足尺顺纹抗拉测试,获得每根锯材试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度,见图2;
试验性能统计模块:
①基本参数统计子模块,对上述测试所有胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度进行统计,得到胶合木层板单元试样的密度平均值和标准差,分别记为mρ、sρ,胶合木层板单元试样的顺纹抗拉弹性模量平均值和标准差,分别记为mE、sE,胶合木层板单元试样的顺纹抗拉强度的平均值和标准差,分别记为mf、sf;
②相关性统计子模块,对上述试验测试的所有胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度进行线性回归和统计分析,得到试样密度与顺纹抗拉弹性模量的相关系数为RρE、协方差为CovρE,试样密度与顺纹抗拉强度的相关系数为Rρf、协方差为Covρf,试样顺纹抗拉弹性模量与顺纹抗拉强度的相关系数为REf、协方差为CovEf,如表1和表2所示;
表1胶合木层板单元的试验统计平均值和标准差
表2胶合木层板单元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、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度的标准差、协方差,构建一个3×3矩阵,记为矩阵B,矩阵B的表达式为:
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mρ、第二列均加一数值mE、第三列均加一数值mf后变换为矩阵F,矩阵F即为数字仿真随机生成的胶合木层板单元的基础数据库,矩阵F的第1、2、3列分别代表数字仿真随机生成的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度,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胶合木层板单元的数字仿真统计平均值和标准差
表4胶合木层板单元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-mρ|/mρ≤1%、|sF,1-sρ|/sρ≤1%、|mF,2-mE|/mE≤1%、|sF,2-sE|/sE≤1%、|mF,3-mE|/mE≤1%、|sF,3-sE|/sE≤1%、|RF,1-2-RρE|/RρE≤1%、|RF,1-3-Rρf|/Rρf≤1%、|RF,2-3-REf|/REf≤1%、|CovF,1-2-CovρE|/CovρE≤1%、|CovF,1-3-Covρf|/Covρf≤1%、|CovF,2-3-CovEf|/CovEf≤1%,矩阵F可视为胶合木层板单元的基础数据库。
边界参数值设置模块包括:
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密度的平均值和5%分位值,基于矩阵G的第2列确定对应不同强度等级的顺纹抗拉弹性模量的平均值,基于矩阵G的第3列确定对应不同强度等级的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值;
②第二控制参数子模块,以上述矩阵F的第3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顺纹抗拉弹性模量的5%分位值,见表5。
表5胶合木层板单元不同强度等级对应的边界参数值
实施例2
基于实施例1构建的胶合木层板单元质量控制系统,胶合木层板单元的质量控制方法,如图4所示,包括以下步骤:
获取人工林杉木胶合木层板单元试样基本力学性能:
选取200根人工林杉木胶合木层板单元,获取每根胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度数据,记为矩阵I,矩阵I的第1、2、3列分别代表胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度;
划分人工林杉木胶合木层板单元的强度等级包括:
①以上述矩阵I的第2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1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,基于矩阵J的第3列确定不同弹性模量范围内对应的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值;
②基于上述步骤①确定的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值,在基于上述边界参数值设置模块确定的不同强度等级对应的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值(表5),确定胶合木层板单元不同弹性模量范围内对应的强度等级,见表6。
表6人工林杉木胶合木层板单元强度等级判定
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 (8)
1.一种胶合木层板单元的质量控制系统,其特征在于:所述该系统包括试验模块、试验性能统计模块、数字仿真模块和边界参数设置模块,所述试验模块基于足尺顺纹抗拉测试获取胶合木层板单元的实测物理力学性能信息,所述试验性能统计模块用于计算胶合木层板单元的实测力学性能统计值和相关性,所述数字仿真模块用于构建胶合木层板单元基础数据库样本、计算基础数据库样本力学性能特征值,所述边界参数设置模块用于确定不同强度等级胶合木层板单元对应的特征值边界参数值。
2.根据权利要求1所述的一种胶合木层板单元的质量控制系统,其特征在于:所述试验模块包括抽样子模块和测试子模块,所述抽样子模块选取不少于2个树种,每个树种抽选胶合木层板单元试样数不少于100根;所述测试子模块将上述抽选的胶合木层板单元试样进行称重和足尺顺纹抗拉测试,获得每根胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度。
3.根据权利要求2所述的一种胶合木层板单元的质量控制系统,其特征在于: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胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度进行统计,得到胶合木层板单元试样的密度平均值和标准差,分别记为mρ、sρ,胶合木层板单元试样的顺纹抗拉弹性模量平均值和标准差,分别记为mE、sE,胶合木层板单元试样的顺纹抗拉强度的平均值和标准差,分别记为mf、sf,所述相关性统计子模块,对上述试验测试的所有胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度进行线性回归和统计分析,得到试样密度与顺纹抗拉弹性模量的相关系数为RρE、协方差为CovρE,试样密度与顺纹抗拉强度的相关系数为Rρf、协方差为Covρf,试样顺纹抗拉弹性模量与顺纹抗拉强度的相关系数为REf、协方差为CovEf。
4.根据权利要求3所述的一种胶合木层板单元的质量控制系统,其特征在于: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、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度的标准差、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mρ、第二列均加一数值mE、第三列均加一数值mf后变换为矩阵F,矩阵F即为数字仿真随机生成的胶合木层板单元的基础数据库,矩阵F的第1、2、3列分别代表数字仿真随机生成的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度;
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-mρ/mρ≤1%、
sF,1-sρ/sρ≤1%、mF,2-mE/mE≤1%、sF,2-sE/sE≤1%、mF,3-mE/mE≤1%、
sF,3-sE/sE≤1%、RF,1-2-RρE/RρE≤1%、RF,1-3-Rρf/Rρf≤1%、RF,2-3-REf/REf≤1%、
CovF,1-2-CovρE/CovρE≤1%、CovF,1-3-Covρf/Covρf≤1%、CovF,2-3-CovEf/CovEf≤1%,
如符合,则矩阵F可视为胶合木层板单元的基础数据库,如不符合,则应按照上述步骤再重新生成胶合木层板单元的基础数据库,并开展步骤检验,直至符合为止。
5.根据权利要求4所述的一种胶合木层板单元的质量控制系统,其特征在于:所述边界参数值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密度的平均值和5%分位值,基于矩阵G的第2列确定对应不同强度等级的顺纹抗拉弹性模量的平均值,基于矩阵G的第3列确定对应不同强度等级的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值;所述第二控制参数子模块,以上述矩阵F的第3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顺纹抗拉弹性模量的5%分位值。
6.根据权利要求5所述的一种胶合木层板单元的质量控制方法,其特征在于:其方法包括以下步骤:
S1获取胶合木层板单元试样基本力学性能;
S2划分胶合木层板单元的强度等级。
7.根据权利要求6所述的一种胶合木层板单元的质量控制系统及方法,其特征在于:所述S1中,获取每根胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度数据,记为矩阵I,矩阵I的第1、2、3列分别代表胶合木层板单元试样的密度、顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度。
8.根据权利要求6所述的一种胶合木层板单元的质量控制系统及方法,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2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1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,基于矩阵J的第3列确定不同弹性模量范围内对应的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值;
S2-2基于上述步骤确定的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值,在基于上述边界参数值设置模块确定的不同强度等级对应的顺纹抗拉强度的平均值和5%分位值,确定胶合木层板单元不同弹性模量范围内对应的强度等级。
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