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典型生物質(zhì)復(fù)合材料性能與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及可靠性分析

字體大�。� | | 2016-02-18 18:57

 【摘要】：本文以刨花板中的木質(zhì)刨花板、定向刨花板及稻草刨花板,以工程木質(zhì)材料中的木質(zhì)層板、集成材、工字梁及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)合材為研究對(duì)象,在材料性能與結(jié)構(gòu)兩方面對(duì)刨花板及工程木質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),即利用椰纖維對(duì)稻草刨花板的性能進(jìn)行了優(yōu)化改善、利用點(diǎn)陣夾芯結(jié)構(gòu)對(duì)工程木質(zhì)梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并結(jié)合相關(guān)的性能表征方法對(duì)改進(jìn)的材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能評(píng)價(jià),同時(shí)利用可靠性分析方法中的改進(jìn)一次二階矩法(AFOSM)與蒙特卡洛法(Monte-Carlo)對(duì)以上幾種典型生物質(zhì)復(fù)合材料在不同使用工況下的安全可靠性進(jìn)行了分析,以指導(dǎo)生物質(zhì)復(fù)合材料在工程結(jié)構(gòu)中的正確安全使用。 本文首先對(duì)自制的稻草刨花與木質(zhì)刨花進(jìn)行了制板工藝的探索,通過(guò)正交試驗(yàn)確定出了最佳的工藝參數(shù),如稻草刨花堿處理工藝的參數(shù)、刨花板的制備工藝參數(shù)(如熱壓溫度、熱壓時(shí)間、施膠量),為后續(xù)的材料設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 本文利用椰纖維來(lái)改善稻草刨花板的膠接強(qiáng)度與尺寸穩(wěn)定性,考察了稻草與椰纖維的質(zhì)量比(草椰比)、板坯的結(jié)構(gòu)形式(混雜與分層)、MDI的有無(wú)施加對(duì)稻草—椰纖維復(fù)合刨花板材料(草椰復(fù)合刨花板)性能的影響。最后得出最佳的草椰比為6/4；當(dāng)利用最佳草椰比制備無(wú)MDI的草椰復(fù)合刨花板時(shí),板材也具有優(yōu)異的性能,能夠滿(mǎn)足在干燥狀態(tài)下使用的結(jié)構(gòu)用板的要求；得出混雜組坯是最好的結(jié)構(gòu)形式,可充分發(fā)揮稻草與椰纖維之間的混雜效應(yīng)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)草椰比與結(jié)構(gòu)形式對(duì)草椰復(fù)合刨花板的沖擊韌性與振動(dòng)阻尼比都有不同程度的影響；建議草椰復(fù)合刨花板可以采用漸變結(jié)構(gòu),即將較多的椰纖維鋪裝在板坯的外側(cè),以便充分發(fā)揮椰纖維的韌性與減振性能。為指導(dǎo)草椰復(fù)合刨花板的設(shè)計(jì)與實(shí)際工廠生產(chǎn),使用無(wú)損檢測(cè)方法、混合定律理論方法、線性回歸方法及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,對(duì)草椰復(fù)合刨花板的性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究,發(fā)現(xiàn)各種方法的預(yù)測(cè)精度都較好,但無(wú)損檢測(cè)方法是其中最為方便快捷的,可實(shí)時(shí)用于材料的在線檢測(cè)。 本文對(duì)草椰復(fù)合刨花板、木質(zhì)刨花板及定向刨花板在三種不同使用工況下的可靠性進(jìn)行了分析,首先探討了三種刨花板物理力學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)特征,發(fā)現(xiàn)其各性能基本都符合正態(tài)分布,密度與各性能具有較為密切的相關(guān)關(guān)系,刨花板性能的離散主要來(lái)源于施膠與鋪裝的不均勻,這兩個(gè)不均勻?qū)е旅芏鹊牟▌?dòng),進(jìn)一步導(dǎo)致各力學(xué)性能的波動(dòng)。同時(shí)在設(shè)定的三種不同工況下對(duì)刨花板進(jìn)行了可靠性分析,發(fā)現(xiàn)刨花板能夠滿(mǎn)足承載強(qiáng)度極限狀態(tài)下的可靠性要求,但是草椰復(fù)合刨花板與木質(zhì)刨花板容易發(fā)生較大的彎曲變形,而超出設(shè)定的最大容許撓度。利用無(wú)損檢測(cè)方法得出的動(dòng)態(tài)彈性模量,對(duì)靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè),使用預(yù)測(cè)值進(jìn)行了刨花板材料的可靠性分析,發(fā)現(xiàn)使用預(yù)測(cè)值計(jì)算得到的失效概率比實(shí)際失效概率要小,可靠性評(píng)價(jià)偏于安全,所以在實(shí)際使用中,要適當(dāng)放大基于無(wú)損檢測(cè)預(yù)測(cè)值得到的失效概率,以保障準(zhǔn)確的對(duì)材料或構(gòu)件進(jìn)行安全評(píng)估。 本文又對(duì)以集成材與工字梁為代表的工程木質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),制備了兩種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)合材,對(duì)比分析了集成材、工字梁與點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)合材的性能,發(fā)現(xiàn)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)合材在自重、比強(qiáng)度、比模量、阻尼性能與韌性等方面具有非常優(yōu)越的性能。同時(shí),在設(shè)定的三種不同工況下對(duì)五種工程木質(zhì)材料進(jìn)行了可靠性分析,發(fā)現(xiàn)具有較小厚度的木質(zhì)層板不宜作為木梁使用；集成材、工字梁及點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)合材在適當(dāng)載荷的工況下能夠滿(mǎn)足承載強(qiáng)度極限狀態(tài)下的可靠性要求,但由于點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)合材的剛度小且韌性大,其在較大載荷作用下容易發(fā)生較大的彎曲變形,但在結(jié)構(gòu)斷裂前的大變形也提醒人們此結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)程度,給人提供較多的逃生時(shí)間。 最后,建議在使用刨花板(包括稻草刨花板、木質(zhì)刨花板及定向刨花板)、集成材、工字梁或點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)復(fù)合材等工程用生物質(zhì)復(fù)合材料時(shí),必須要綜合考慮材料的強(qiáng)度與韌性,要合理選取構(gòu)件的跨度、厚度,合理安排構(gòu)件的約束與承載方式,以保障其使用安全可靠性。

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