典型生物质复合材料性能与结构的优化及可靠性分析

【摘要】本文以刨花板中的木质刨花板、定向刨花板及稻草刨花板,以工程木质材料中的木质层板、集成材、工字梁及点阵结构复合材为研究对象,在材料性能与结构两方面对刨花板及工程木质复合材料进行了优化设计,即利用椰纤维对稻草刨花板的性能进行了优化改善、利用点阵夹芯结构对工程木质梁的结构进行了优化设计,并结合相关的性能表征方法对改进的材料与结构进行了性能评价,同时利用可靠性分析方法中的改进一次二阶矩法(AFOSM)与蒙特卡洛法(Monte-Carlo)对以上几种典型生物质复合材料在不同使用工况下的安全可靠性进行了分析,以指导生物质复合材料在工程结构中的正确安全使用。本文首先对自制的稻草刨花与木质刨花进行了制板工艺的探索,通过正交试验确定出了最佳的工艺参数,如稻草刨花碱处理工艺的参数、刨花板的制备工艺参数(如热压温度、热压时间、施胶量),为后续的材料设计奠定了基础。本文利用椰纤维来改善稻草刨花板的胶接强度与尺寸稳定性,考察了稻草与椰纤维的质量比(草椰比)、板坯的结构形式(混杂与分层)、MDI的有无施加对稻草—椰纤维复合刨花板材料(草椰复合刨花板)性能的影响。最后得出最佳的草椰比为6/4；当利用最佳草椰比制备无MDI的草椰复合刨花板时,板材也具有优异的性能,能够满足在干燥状态下使用的结构用板的要求；得出混杂组坯是最好的结构形式,可充分发挥稻草与椰纤维之间的混杂效应；同时发现草椰比与结构形式对草椰复合刨花板的冲击韧性与振动阻尼比都有不同程度的影响；建议草椰复合刨花板可以采用渐变结构,即将较多的椰纤维铺装在板坯的外侧,以便充分发挥椰纤维的韧性与减振性能。为指导草椰复合刨花板的设计与实际工厂生产,使用无损检测方法、混合定律理论方法、线性回归方法及BP神经网络方法,对草椰复合刨花板的性能进行了预测研究,发现各种方法的预测精度都较好,但无损检测方法是其中最为方便快捷的,可实时用于材料的在线检测。本文对草椰复合刨花板、木质刨花板及定向刨花板在三种不同使用工况下的可靠性进行了分析,首先探讨了三种刨花板物理力学性能的统计特征,发现其各性能基本都符合正态分布,密度与各性能具有较为密切的相关关系,刨花板性能的离散主要来源于施胶与铺装的不均匀,这两个不均匀导致密度的波动,进一步导致各力学性能的波动。同时在设定的三种不同工况下对刨花板进行了可靠性分析,发现刨花板能够满足承载强度极限状态下的可靠性要求,但是草椰复合刨花板与木质刨花板容易发生较大的弯曲变形,而超出设定的最大容许挠度。利用无损检测方法得出的动态弹性模量,对静态力学性能进行了预测,使用预测值进行了刨花板材料的可靠性分析,发现使用预测值计算得到的失效概率比实际失效概率要小,可靠性评价偏于安全,所以在实际使用中,要适当放大基于无损检测预测值得到的失效概率,以保障准确的对材料或构件进行安全评估。本文又对以集成材与工字梁为代表的工程木质复合材料进行了结构优化设计,制备了两种点阵结构复合材,对比分析了集成材、工字梁与点阵结构复合材的性能,发现点阵结构复合材在自重、比强度、比模量、阻尼性能与韧性等方面具有非常优越的性能。同时,在设定的三种不同工况下对五种工程木质材料进行了可靠性分析,发现具有较小厚度的木质层板不宜作为木梁使用；集成材、工字梁及点阵结构复合材在适当载荷的工况下能够满足承载强度极限状态下的可靠性要求,但由于点阵结构复合材的刚度小且韧性大,其在较大载荷作用下容易发生较大的弯曲变形,但在结构断裂前的大变形也提醒人们此结构的危险程度,给人提供较多的逃生时间。最后,建议在使用刨花板(包括稻草刨花板、木质刨花板及定向刨花板)、集成材、工字梁或点阵结构复合材等工程用生物质复合材料时,必须要综合考虑材料的强度与韧性,要合理选取构件的跨度、厚度,合理安排构件的约束与承载方式,以保障其使用安全可靠性。
【作者】张利；
【导师】胡英成；
【作者基本信息】东北林业大学，木材科学与技术，2014，博士
【关键词】生物质复合材料；椰纤维；点阵结构；无损检测；可靠性；

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