单板弹性模量在线无损检测设计开题报告

 2021-08-08 12:08

1. 研究目的与意义

人类面临资源和环境的挑战,研制开发多种新型的木质复合材料,对充分利用现有木材资源、保护生态环境和促进社会持续发展均有重要意义。木质复合材料可按照人们的意愿和用途,改良天然木材固有的缺点或赋予木材新的功能,从而提高木材的使用价值,实现低质材的优化利用。为了能提高木质复合材料的质量以及正确使用木质复合材料,就必须掌握其物理力学性能的检测机理以及实时在线检测技术相对于传统的破损检测方法,对木质复合材料性能进行非破坏的无损检测与评价是实现其性能快速、准确检测的有效方法。

2. 国内外研究现状分析

无损检测技术是在20世纪60年代后逐步兴起的对木材性质进行非破坏性检测的技术,是一门以不破坏被检测对象的性质和使用效果为前提,对材料进行有效的检验和试,借以评价材料的完整性或其它物理、力学特性的综合性应用技术。木材无损检测技术应用在木材加工自动检测中,促进了加工生产中的连续、在线检测,操作人员可根据反馈的数据,及时调整工艺,极大地提高了木材加工的自动化水平和生产效率。同时,由于检测水平的提高也极大地提高了木材加工质量的监控水平,使加工质量得到可靠的保证。

弹性模量是表征单板力学性能的基本参数之一,是评价单板质量的重要指标,同时它也是实现单板在线实时自动分级的基本依据,因此,国内外的学者对如何实现快速、简便和精确地测量单板弹性模量以及影响板材弹性模量的因素进行了大量的研究。

1.国外研究状况

早在木材无损检测技术发展初期的20世纪50年代,国外学者就开始利用动态方法来研究木材的动态弹性模量。

日本京都大学农学部的棍田茂、山田正、铃木正治(1961年)研究了动态抗弯弹性模量和含水率之间的关系,实验结果表明,在含水率为4~5左右,纤维方向的动态抗弯弹性模量值最大,但半径方向的动态抗弯弹性模量不是最大值。

日本京都大学农学部的铃木正治、中户莞二、相川久太郎(1965年)研究了木材的动态抗弯弹性模量的频率依存性以及与蠕变的关系。

Paschalis(1978年)用共振法和超声波法确定了木材的强度特性与其结构特点的关系,他认为:随着晚材率和密度增加,湿润松林中的松木比干燥松林中的松木强度增加快,强度增加最慢的是接近地下水的松木林中的松木。湿润松林中的松木,其强度、晚材率和密度均比干燥的和接近地下水的松林中的松木要大。

Sobue(1988年)首次使用FFT(快速傅里叶变换)分析仪对杨氏模量E和切变模量G的问题进行了研究。用发泡塑料小片弹性体支持试件的中央,轻轻打击试件一端的角,激发起弯曲-扭转复合振动,由配置在试件另一端两角的一对微音器(或加速度传感器)测出振动,计算处理这2个信号,即可以从复合信号取出纯的弯曲振动和扭匀振动的信号。将这些信号输入FFT分析仪,即可求得瞬时的共振频率数,并同时确定E和G。

日本学者祖父江信夫(1986,1988,1991年)根据木材的弯曲振动、纵向振动及弯曲、扭转复合振动,测定了在不同支撑条件下、不同尺寸木材(包括标准试件及日本传统民宅用的结构材)的弹性模量和剪切弹性模量。他是通过采用基于打击音的FFT频谱分析方法求得木材的各种共振频率,再通过Timoshenko挠性振动理论计算求出弹性模量和剪切模量。他还讨论了木材的各次振动频率的确定方法,分析了握紧位置或支撑位置对各次共振频率和频谱强度的影响及各次共振频率所对应的弹性模量之间的关系。

D.W.Haines等(1996年)利用弯曲共振、纵波共振、超声波传播波及静态弯曲法,对不同尺寸的云杉、冷杉和均质材料进行弹性模量的测定,并对弯曲共振法的结果与其它各种方法的结果进行了比较:对于大尺寸结构材弯曲共振法结果与静态弯曲法结果之间的差异为≤6%;而≤1mm厚的小试件:弯曲共振法结果与静态弯曲法的结果MOE只有≤3%的差异。

Niemz等(1997年)研究了几种树种由应力波速度计算的动态弹性模量与MOE之间的关系,其结论是: 与MOE之间的关系,短的无疵材比含有节子等特征的长材要好。

J. Ilic(2001,2003年)采用冲击共振和频谱分析法,先后研究了按树干燥前后的动态弹性模量 和纤维方向的波速V及干燥后的纵向弹性模量 、动态弯曲弹性模量 与三点弯曲法测得的静态弹性模量之间的关系。结果表明:干燥后的按树,纵向弹性模量 ,与动态弯曲弹性模量 (相关系数r=0.98)和MOE(r=0.95)高度相关。波速 与静态弹性模量之间也呈一定的相关关系,但不是非常显著(r=0.78)。同时 与气干密度呈正相关关系。 比MOE大0.29倍,这就表明可用 和 来估计木材实际的弹性模量;但由于在弯曲振动中,不可避免地受到剪切力的影响,而如果掌握好试验技术的话,纵向振动中可避免剪切运动影响,因此用 来表征木材的弹性模量更为理想。同时还分析了干燥前的动态弹性模量 和纤维方向的波速v与基本密度、干燥收缩量、干燥缺陷数量之间的关系。

Ross R.J等(1997,1999年)先后采用应力波、横向振动、超声波等无损检测技术,对原木和由原木锯切的板材弹性模量,或者旋切的单板质量进行了研究,研究结果表明原木的弹性模量、应力波传播时间分别与锯材的弹性模量、应力波在单板中的传播时间具有显著的相关关系。

王喜平和Ross R.J(2001年)采用纵向应力波、横向振动试验和静曲试验法测定了159根小径级红松和北美短叶松原木的抗弯刚度和弹性模量,结果从每种试验中获得弹性模量和刚度的数值具有统计一学上的联系。同时,H.Lindstrom等(2002年)对立木的强度和刚度进行了研究,这为营林及后续的木材综合利用提供了理论基础。

2.国内研究状况

我国从20世纪80年代初开始对木材无损检测技术的应用研究,而检测木材的动态弹性模量则是从80年代中后期开始的。

南京林业大学史伯章、尹思慈、阮锡根(1983年)采用脉冲声波法测定木材的声速,并对试样进行力学强度试验,求得两者间的回归关系。对影响木材声速的因子以及声速在弦向、径向、纵向3个主要方向上的差异,也作了测定和讨论,并用管状模型作了定性说明。

东北林业大学的戴澄月、刘一星等(1987年)采用超声波脉冲首波等幅法,测试了红松、兴安落叶松、水曲柳和紫锻种无疵气干材的顺纹和横纹超声速度及超声弹性模量,并用一元和二元回归分析了这种超声参数与木材顺纹抗压强度和抗弯强度的相关性。

东北林业大学的赵学增、刘一星、李坚、朱建新(1988年)利用Timoshenko挠性振动理论、FFT分析技术和微机技术,开发了一种关于木材抗弯弹性模量和剪切弹性模量的快速测定方法。其研究结果表明这是一种快速便捷的方法,它所测得的动态抗弯弹性模量与静态抗弯弹性模量之间具有十分紧密的相关性。

王志同等(1995年)研究了用应力波无损检测技术检测中密度纤维板弹性模量的方法。胡英成等(2001年)利用弯曲振动试验、纵波传播试验、纵波共振试验,对刨花板、胶合板的动态抗弯弹性模量进行了无损检测,并分析了各种试验所得结果之间的关系。

李华等(2003年)采用北京康科瑞公司NM-4A非金属超声波检测仪,测定了北京大钟寺博物馆永乐大钟大型木结构架的弹性模量,并对其力学强度的变化做出了评估。

王志玲等应用现代近红外光谱对人造板进行无损检测,初步研究表明了现代近红外光谱在木材的密度、强度和中密度纤维板力学性质预测方面的潜力,为人造板性能的无损检测开辟了另一片天地。

从国内外的研究进展来看,单板物理力学性能的无损检测技术是建立在多学科高单板弹性模量计算机在线无损检测系统的研究新技术的基础上的,实验手段已经从最初用伏特表指针偏转反映振幅的变化来搜寻共振频率的方法,发展到现在利用电子计算机技术、FFT分析技术和A/D转换器自动测试弹性模量。

总体上说,国内对单板动态弹性模量等测量的研究相对于国外来说尚少。然而,随着木材资源的逐渐险乏,单板生产技术的不断提高,在今后的生产和生活中,单板、层积材将发挥越来越大的作用,因此,对一单板抗弯强度进行无损检测的研究刻不容缓。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容:

研究设计测量单板层积材抗弯强度的冲击应力波检测系统,包括冲击应力波波源的设计、传感器的选择、传感器信号的处理、冲击应力波传播时间的检测系统、计算分析冲击应力波传播速度及单板抗弯强度的单片机系统的实现。进行试件的波速对比实验,验证检测系统的可行性。

1 冲击应力波检测法

冲击应力波传播时间测试法用脉冲锤的敲击被测木材样本,被测木材样本内部产生冲击应力波,在试件需要测定的部位的两端分别设置一个高灵敏度加速度传感器,来检测传经该处的波。将两个传感器的输出分别作为计时单元的启动与关闭信号,计时单元所测试的时间就是波传经两个传感器之间的距离所需的时间,这样就可计算出波的传播速度。

冲击应力波传播时间测试法作为确定材料动态力学性能的方法是一种无损、可靠、快速和简捷,受外界的影响与干扰小,装置简单造价低,易于掌握与推广的测试方法。

冲击应力波检测法是利用撞击在木材或木质构件内部产生的机械波的传播,并根据纵向应力波通过被测材料的速度与被测材料密度、抗弯弹性模量、的物理关系而建立起来的。将单板中的冲击应力波看作是一维弹性波,假设单板的密度均匀,则单板上的各个微小单元段的速度不变,那么,应力波的传播速度 ,所以由应力波的传播时间,可以计算应力波的传播速度。

2 超声波传播时间转换为厚度信息

射线密度法是以射线透射木材,用射线接收传感器直接测量窄小范围内透过试样前后射线强度的变化,根据射线衰减律以及试样的平均吸收系数,推算出木材的密度。测试时,放射源的射线沿人造板厚度方向垂直扫描,射线穿透板材衰减(被板材吸收掉一部分)后,再经辐射探测器接收后转为电脉冲信号,由计数器对脉冲信号进行自动定时接收计数,送给计算机处理后即得各板种的密度随厚度变化的分布曲线。因此,通过射线检测技术可在线自动精确测定板材的剖面密度并对其分析,省时省力,分辨力高,从而可根据人造板剖面密度的变化,经工控机算出弹性模量的变化,进而达到检测板材质量的的目的。

3 系统设计方案

在线检测:对应力波波速、厚度、密度等被测量选择合适的传感器;依据检测原理,设计信号调理电路(检测电路);设计由主控制器控制的信号自动测试系统,在线检测各信号的实时数据。

综合检测:通过系统软硬件的综合设计,充分发挥软硬件结合的优势。提高测量精度、系统可靠性,并行实时检测多个参数,实现高精度测量,进一步实现板材检测系统的自动化。

信息处理:由微处理器对采集电信号进行数据处理,对相应的采集数据进行数字滤波、运算和处理。

数据采集显示界面:该系统面向现场操作人员,因而显示应尽量简洁,以便直观地反映设备的运行状态,方便现场人员的检测,管理。

数据通信:该系统的上位机工控机与下位机单片机、采用串行数据通讯方式,将采集的数据及时传输给上位机。

除此以上所述的功能外,该系统还应具有抗干扰能力强,结构简单,调试方便,造价低廉等特点。

4 总结

本课题运用一种基于单片机的单板层积材强度应力波波速检测系统,并把它应用于在线强度检测,其原理并不复杂。该系统可以在线精确测量应力波传播的时间,自动计算显示应力波波速,进而计算单板层积材的弹性模量(MOE)。在《单板弹性模量计算机在线无损检测系统的研究》以及《单板层积材弹性模量在线检测系统研究》文章中均有相关论述,理论成熟,方案可行性较高。

计划:

1. 3月1日-3月10日收集相关的材料,准备开题。

2. 3月10日-4月30日进行设计、实验阶段,主要内容为:

a. 应力波速度测定装群系统的设计;

b. β射线密度检测装置系统的设计;

c. 上位机软件设计;

d. 下位机软件设计;

e. 系统验证。

3. 5月1日-5月30日撰写论文。

4. 5月30日-6月15日准备答辩。

4. 研究创新点

系统采用基于单片机的应力波波速检测系统,可以实时准确、无损检测单板层积材抗弯弹性模量,并能达到依据抗弯强度实现被测材料强度分等的目的。本系统具有测量速度快、精度高、成本低、信号稳定和工作可靠、抗干扰能力强等优点。所以该系统可以无损、可靠、快速和简捷地检测单板抗弯弹性模量,并能达到评价单板抗弯强度等力学性质的目的。

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