WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 | 4 |

На правах рукописи

Тюленева Евгения Михайловна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УТОЧНЕНИЕ

РЕОЛОГИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДРЕВЕСИНЫ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.21.05 Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки.

Красноярск - 2009

Работа выполнена в Сибирском государственном технологическом университете на кафедре «Технология и оборудование лесозаготовок»

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Курицын Виктор Николаевич

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Ермолович Александр Геннадьевич

- кандидат технических наук, доцент Денисов Сергей Викторович

Ведущая организация - институт леса имени В.Н. Сукачева СО РАН

Защита состоится «__» ноября 2009 г. в 1000 на заседании диссертационного Совета Д 212.253.04 при Сибирском государственном технологическом университете по адресу: 660000, г. Красноярск, пр. Мира, 82.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке

Сибирского государственного технологического университета.

Автореферат разослан «____» _________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Мелешко А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение поведения древесины под нагрузкой во времени является предметом исследования многих ученых, как в нашей стране (Ю.М. Иванов, Ф.П.Белянкин, П.Н. Хухрянский, Б.Н. Уголев) так и за рубежом (Kollmann F., Bengtsoon C. и др.). Практическая значимость этих реологических исследований древесины связана с углублением представлений о протекании технологических процессов, прогнозированием и оценкой эксплуатационных характеристик готовой продукции. Некоторые реологические коэффициенты уже нашли свое применение при объяснении внутренних напряжений в процессе сушки материалов, при обосновании режимов резания древесины, в прессовании, а также в целлюлозно-бумажной промышленности (размол, при формировании и обезвоживании бумажного полотна, в переработке бумаги) и т.д.

Несмотря на имеющиеся исследования реологических свойств древесины, научные знания в этой области еще недостаточны. В указанных выше технологических процессах используются совершенно разные реологические модели, которые, даже в конкретных условиях деформирования не отображают ряд свойств, влияющих на деформацию древесины. Как следствие, в результате абстрагирования от некоторых свойств древесины, влияющих на ее деформацию, отмечаются некоторые отклонения в расчетах внутри каждого процесса, на которые вводятся дополнительные коэффициенты и поправки. Например, в прессовании используется упруго-вязкая модель, а деформации, обратимые с течением времени, приравнены к мгновенным упругим деформациям. До сих пор пока еще нет достаточно обоснованных методов определения реологических показателей древесины, в том числе и при сжатии ее поперек волокон. Нет возможности сравнить реологические свойства древесины разных пород, выяснить влияние на эти свойства различных факторов (условий произрастания, анатомического строения, пороков и пр.).

Цель и задачи исследования

Целью работы является поиск реологической модели, которая могла бы максимально точно описать свойства поведения древесины под нагрузкой поперек волокон и определение входящих в нее величин реологических модулей.

Задачи:

– выявить соответствие реологических моделей, применяемых в настоящее время к древесине, реальному процессу деформирования;

– разработать методики экспериментов на сжатие древесины поперек волокон с целью установления общей зависимости деформации от времени при постоянном напряжении для древесины разных пород;

– получить экспериментальным путем основные реологические показатели при постоянных условиях влажности и температуры для древесины разных пород, а именно:

а) мгновенный модуль упругости,

б) модуль упругости второго рода,

в) показатели остаточных деформаций;

– вывести реологическую формулу и уточнить реологическую модель древесины на основании проведенных экспериментов;

– установить целесообразность применения полученных результатов в практике.

Методы исследования. В диссертационной работе применены экспериментальный и теоретический методы исследования свойств реальной древесины. Полученные данные обрабатывались методами математической статистики с использованием стандартных пакетов прикладных программ для современного персонального компьютера.

Научная новизна. Нам представляется, что новизна полученных результатов состоит в следующем:

- обнаружено возникновение мгновенных необратимых остаточных деформаций при различных величинах нагружений;

- мгновенные необратимые остаточные деформации представляют собой одно из реологических свойств – пластичность;

- предлагается новое понятие – модуль пластичности древесины;

- использование экспериментальных образцов размером 101010 мм и влажностью 4-5 %, что отлично от регламентируемых ГОСТом, позволило установить природу остаточных деформаций древесины;

- разработана методика проведения экспериментальных исследований для определения реологических показателей при сжатии древесины поперек волокон.

Практическая значимость реологических исследований древесины связана с углублением представлений о протекании технологических процессов, прогнозированием и оценкой эксплуатационных характеристик готовой продукции. Предлагается новая реологическая характеристика древесины – модуль пластичности (Е3), значение его в пересчете на стандартные образцы составляет: для сосны – 750, лиственницы – 2100, ели – 1100, березы – 870 МПа.

Основные положения, выносимые на защиту. Уточнение реологической модели и реологического уравнения древесины преимущественно при сжатии ее поперек волокон.

Объяснение теоретических основ возникновения остаточных деформаций в древесине.

Численные значения основных реологических показателей древесины, полученных в условиях эксперимента.

Апробация работы. Материалы диссертации были заслушаны и получили одобрение на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов СибГТУ «Лесной и химический комплекс – проблемы и решения» в 2003, 2004, 2005, 2007 и 2008 годах.

Основные результаты диссертационной работы изложены в восьми научных публикациях, одна из которых в публикации ВАК.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных выводов, списка использованных источников, включающего 108 наименований 9 из которых на иностранных языках, 3 приложений. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц, 35 рисунков, 57 формул и дополнительный том приложений на 120 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность темы диссертационной работы. Кратко освещены работы ученых, занимавшихся реологическими исследованиями, указаны недостаточно разработанные пункты темы. Сформулированы объект и предмет исследования, научная новизна, практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе по данным литературных источников выполнен анализ состояния вопроса в области исследования реологических свойств древесины разных пород при сжатии ее поперек волокон. Отмечены замечания по терминологии, применяемой в литературе. В результате анализа литературных данных определены цель и задачи исследований.

Во второй главе отражены основные реологические свойства и их модели, их основные различия; представлены современные реологические модели древесины с точки зрения феноменологической и молекулярной реологии и сделаны выводы по главе.

Реологические свойства

В настоящее время реология трактуется как наука о законах образования и развития во времени деформаций любых веществ – твердых, жидких, упругих, пластичных и т.п.

На сегодняшний день установились следующие понятия и их определения:

упругость – способность материала мгновенно восстанавливать свою первоначальную форму после снятия нагрузки [по М.Рейнеру];

вязкость – способность материала сохранять достигнутую форму после снятия нагрузки [по М.Рейнеру];

пластичность – способность материала изменять свою форму под действием внешних сил и сохранять приобретенное состояние после того, как воздействие прекращено [по С.И. Ванину];

эластичность – способность материала полностью восстанавливать свою форму после снятия нагрузки по истечении определенного периода времени [по М.Рейнеру].

Часто в литературе вязкая деформация отождествляется с пластической. Между тем вязкость и пластичность не одно и то же. Их роднит только необратимость процесса. Вязкая деформация возникает даже при очень маленьких нагрузках и протекает неограниченно во времени. Пластичности же, до определенного предела «текучести», предшествует упругая деформация, а когда пластическая деформация превысит этот предел, происходит разрушение материала.

В теоретической реологии обычно изучаются не сами деформации, а их модели, которые призваны максимально точно отобразить специфику конкретных свойств разнообразных материалов, в том числе и древесины. Изучением образования и развития во времени деформаций древесины посредством реологии занимались Л.М. Перелыгин, А.М. Боровиков, Ю.М. Иванов, Н.Л.Леонтьев, Б.Н. Уголев и др. Однако, имеющиеся исследования еще недостаточны. В литературе имеется мало данных о поведении древесины поперек волокон. Нет единой методики определения реологических показателей при различных факторах проведения экспериментов. В настоящее время для описания свойств древесины используется несколько реологических моделей – упругая (при кратковременных быстро прикладываемых нагрузках), упруго-вязкая (в прессовании), упруго-эластическая (при сушке древесины) и др. Однако, эти реологические модели раскрывают лишь обратимую часть остаточных деформаций древесины. Вопрос о природе необратимых остаточных деформаций древесины остается открытым. Известно лишь, что они устойчиво сохраняются при длительном выдерживании в условиях стабильной температуры и влажности.

В третьей главе приведены методики проведения экспериментов с учетом характерных особенностей древесины, т.е. с учетом ее неоднородного строения и различия физико-механических свойств не только по осям анизотропии, но и при воздействии на древесину различных факторов, например, скорости приложения нагрузки, влажности и т.д. Основные положения методики включают в себя: характеристику испытательной установки, правила изготовления образцов для экспериментов, определены внешние и внутренние параметры среды; описана процедура испытаний и способы измерения деформаций, а также обработка результатов наблюдений для каждой серии экспериментов.

Методика проведения экспериментов

На кафедре ТОЛЗ спроектирована и изготовлена установка для испытаний древесины, которая дает возможность наблюдать, как изменяется величина сравнительно малых деформаций под действием мгновенно приложенного и постоянного на протяжении всего испытания напряжения. Схема установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки

Установка представляет собой сварное из швеллеров основание (1), на котором установлен реверсор и крепление (2) двух индикаторов (3). Образец (4) помещается на неподвижной части реверсора (5) и накрывается планкой (7), которая воздействует на толкатели индикаторов. Нагружение образца производится помещением груза (8) на подвижную часть реверсора (6).

Для экспериментов использовалась древесина сосны, ели, лиственницы и березы, имеющих весьма обширный ареал распространения в Сибири и наиболее часто используемых в производстве.

Образцы изготавливались размером 101010 мм, что предполагает следующие преимущества по сравнению с образцами других размеров, рекомендованных ГОСТ: 1) большая однородность древесины в образце; 2) правильное расположение годичных слоев; 3) лучшая деформативность образцов; 4) меньшие габариты испытательной установки; 5) минимальный расход древесины при испытаниях.

Испытания образцов производились в условиях комнатной температуры 20 ± 2 °С, влажность образцов в среднем составляет 4-5 %.

Испытания проводились на сжатие древесины поперек волокон (ГОСТ 16483.11-72 «Испытание на сжатие – нагрузка прикладывается равномерно по всей поверхности образца»). Этот вид деформации доминирует во многих видах механической обработки древесины, а также в сушке, прессовании и других технологических процессах.

В данной работе испытания древесины на сжатие поперек волокон проводились как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях. Причем основные опыты были направлены на сжатие в радиальном направлении, тангенциальное сжатие осуществлялось с целью подтверждения некоторых экспериментальных выводов радиального сжатия.

Порядок проведения опытов

Заготавливался образец размером 1см3 строго по осям анизотропии. Образец шлифовался наждачной бумагой для уменьшения шероховатости поверхности. Производился замер длины, ширины и высоты микрометром с точностью 0,01 мм. Образец помещался в установку, накрывался планкой и прижимался подвижной частью реверсора. Считывались исходные показатели индикаторов (левого) и (правого). Производилось нагружение грузом Р и фиксировались текущие показатели индикаторов с интервалом: в первые сутки – начальные, через 5 мин, 30 мин, а затем каждый час; в последующее время – раз в сутки. По истечении срока нагружения груз снимался и проводился замер показателей индикаторов и. Образец оставлялся в установке для восстановления эластических деформаций с фиксацией текущих показателей индикаторов (с периодичностью как и при нагружении). По окончании опыта производился последний замер показателей индикаторов и. Образец вынимался из установки. Определялась влажность образца. Данные фиксировались в журнале наблюдений. Образцы, дающие искаженные показания при измерениях и непосредственно испытаниях, были забракованы и изъяты из статистики.

По данным журнала наблюдений строили кривую ползучести и последующего восстановления деформаций. На полученной диаграмме отмечались значения относительных деформаций в момент нагрузки образца 1, перед его непосредственной разгрузкой 2, в момент снятия груза 3 и в момент окончания эксперимента 4 (рисунок 2).

Относительная упругая деформация в момент разгрузки ”у или ру, рассчитывалась по формуле:

.

(1)

Относительная эластическая убывающая деформация рэ определялась:

Pages:     || 2 | 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»