专利名称：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參数，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測定或应用无损检测技术如超声波、应カ波等技术间接測定，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ー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木，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木，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，ー类是使用试验仪器直接对活立木进行原位检测，如利用应カ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；另ー类是低损地从活立木取样，即钻取生长锥，然后測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(Iw P )B可以预测活立木的纵向弹性模量。然而，该模型是ー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。( ニ )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SI :建立木材细胞壁纵向弹性模量预测模型Eeell Ecell = f (MFA)；S2 :建立以木材力学试样的气干密度P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 = aX (p / p cell)Ecell+b ;其中P cell为细胞壁密度，a和b为系数；S3 :在与S2中同一力学试样上測量木材顺纹抗拉弹性模量、气干密度和MFAJfM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，測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規律。 其中,所述步骤SI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弾性常数；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Em11。其中，所述木材细胞壁纵向弹性模量Eeell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SI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Ecell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Imm 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Imm 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Imm 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參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，以及实现エ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エ利用以有效的科学指导。
图I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I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。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进ー步详细描述。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I所示，包括步骤S101，建立木材细胞壁纵向弹性模量Eeell的计算理论模型Ecell = f (MFA)；(该模型具体内容參考YUYan, JIANG Ze-hui，TIAN Gen-I in. Sizeeffecton longitudinal MOE of microtomed wood sections and relevanttheoreticalexplanation. 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弾性常数，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Erall。 在模型Eeell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ー个木素、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、Si、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，在も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I、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増大，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増大而减小，直至趋于稳定。步骤S102，以Eeell为基础建立以力学试样的气干密度P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 = aX (p / p cen)Ecell+b ； (I)其中p cell为细胞壁密度，a和b为系数。步骤S103，在与步骤S102中同一力学试样上測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⑴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。在測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 °C，相対湿度为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I 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，井代入步骤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規律。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，来进ー步说明本发明。步骤I、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弾性常数，见表I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I针叶材管胞细胞壁各层的结构和化学组成(体积比)
权利要求
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 51:建立木材细胞壁纵向弹性模量预测模型Em11 Eceii = f (MFA)； 52:建立以木材力学试样的气干密度P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 = aX (P / p cell)Ecell+b ;其中P cell为细胞壁密度，a和b为系数； 53:在与S2中同一力学试样上測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； 54:从活立木中钻取生长锥，測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規律。
2.如权利要求I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SI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弾性常数； 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Ecell。
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Eeell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Erall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I 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Imm 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，其特征在干，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Imm 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Imm 3mm之间的长条型薄片状非标准试样。
全文摘要
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Ecell；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/ρcell)Ecell+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。
文档编号G01N33/46GK102650633SQ20111004540
公开日2012年8月29日 申请日期2011年2月24日 优先权日2011年2月24日
发明者余雁, 张淑琴, 费本华, 邢新婷 申请人:国际竹藤网络中心