全 文 ：第 !" 卷 第 ## 期
$ % # $ 年 ## 月
林 业 科 学
&’()*+(, &(-.,) &(*(’,)
./01!"!*/1##
*/23!$ % # $
收稿日期" $%## 4#$ 4$## 修回日期" $%#$ 4%9 4%"$
基金项目" 国家科技支撑计划课题%非常用与低等级木材高效加工技术集成与示范& ’$%#$7,8$!7%#( $
!林兰英为通讯作者$
樟子松指接材抗弯强度有限元模拟分析!
何:盛#:林兰英#:傅:峰#:曹平祥$
’#3中国林业科学研究院木材工业研究所:木质功能材料研究室:北京 #%%%6## $3南京林业大学木材工业学院:南京 $#%%95(
摘:要! :采用 ,*&M& 有限元分析软件!模拟分析 9 种嵌合度条件下樟子松结构用指接材的抗弯强度!实现对指
接材抗弯强度的无损检测$ 当指榫嵌合度为 %!%1#!%19 DD时!模拟分析得出的抗弯强度分别为 5"1%!5$1% 和
!;1% [Y=$ 将模拟分析结果与试验测试结果进行对比可以发现!有限元模拟分析方法可以用于预测指接材的抗弯
强度性能!但由于模拟过程中未考虑齿榫加工后干缩变形引起的指接嵌合度下降!因此导致模拟分析结果相对试
验测试结果偏大 $%e左右$ 为减小模拟分析结果与试验测试结果间的误差!需要对模拟分析模型进行一定程度的
修正$
关键词" :樟子松# 指接材# 抗弯强度# 有限元法
中图分类号! Z5\$1!:::文献标识码! ,:::文章编号! #%%# 45!"""$%#$### 4%%\9 4%I’)’1,P3,#,)16)%32(’("*H,)5’)C -1&,)C1B*"&2+,*//418(/%5+/0%&>
#&,0&1+)" I’)C,&MV"’)1,5N4#7,&
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67(1&%.1" :@AS< SASBB0BDB>S=>=0LFAF! SQA>HFSCB>HS< /OD01499%56$9+*092=C3;)12)50=’
OA>HBC?W/A>SBQ 0IDNBCO/CFSCIRSIC=0IFBI>QBCSSOAS>BFFC=SA/TBCBD/QB0BQ S/CB=0AXBS/>QBFSCIRSA2BSBFS/OSEC/EBCSABF/OOA>HBC?W/A>SBQ 0IDNBC3,RR/CQA>HS/SHCBFI0SF! SQA>HFSCB>HS< =CB5"1%!5$1% =>Q !;1% [Y=
CBFEBRSA2B0LT SBFFC=SA/AF%!%1# =>Q %19 DD3’/DE=CA>HSHCBFI0SFTAS< SS=0CBFI0SF! AS
A>QAR=SBQ S<=SSQA>HFSCB>HS< OC/DSHCBFI0SAF=EEC/VAD=SB0L$%e 0=CHBCS<=> S<=S/OSS=0SBFS
CBFI0SF3+RLD=LR=IFBQ NLSBH0BRSA/> /OSBFFC=SA/QIBS/SP=HB/OSHBC?W/A>SF
=OSBCNBA>HRIS3&/ASAF>BRBFF=CLO/CSADAXBSRL3
8,2 9"&5(" :D01499%56$9+*092=C3;)12)50=’# OA>HBC?W/A>SBQ 0IDNBC# NB>QA>HFSCB>HS<# OA>ASBB0BDB>SDBS::指接是在斜接基础上发展起来的一种木材接长
方式$ 每个指接接头上有多个斜接面!而指榫长度
相对斜接接头更短!可以节约木材$ 在指接材的加
工过程中!可通过去除节子或斜纹理的方式加工利
用低等级木材!提高木材的利用率$ 此外!指接后材
料的强度可以达到无疵木材强度的 5;e 以上
’[=S家!为了满足人们对实木类产品的消费需求!指接材
得到了广泛的推广和应用$
指接材按照其用途进行分类!主要可分为结构用
指接材和非结构用指接材$ 非结构用指接材主要对
外观有严格要求!而对强度要求相对较低# 而结构用
指接材由于要用做承重构件!因此对其强度要求较为
严格$ 结构用指接材的主要强度检测指标有抗弯弹
性模量)抗弯强度和顺纹抗拉强度$ 目前采用的测试
方法主要为试验测量!但随着无损检测技术的快速发
展!声发射’gAL/P/$+’5B! $%%5()应力波’梁善庆等!
$%%"()超声波’林兰英等! $%%5()振动法’张厚江等!
$%%;()近红外光谱技术’赵荣军等! $%%6(等无损检
测方法被广泛应用于木材力学性能的测试中$
有限元法作为一种高效的数值分析方法!被广泛
应用于材料的性能模拟分析过程中$ 本文将有限元
法应用于指接材的性能预测分析过程中!应用
,*&M& 有限元分析软件模拟分析了 9 种嵌合度条件
下樟子松’D01499%56$9+*092=C3;)12)50=’(结构用指接
材的抗弯强度!并将模拟分析结果与试验测试结果进
林 业 科 学 !" 卷:
行对比验证!实现了对指接材抗弯强度的预测$
#:材料与方法
:;:<材料
试材" 樟子松!俄罗斯进口材!试材尺寸 $%%
DDa"" DDa$! DD’长 a宽 a厚(!共 #%" 根!含水
率 ;e ‘##e!试材密度 %1! ‘%15 H+RD49$
胶黏剂" 水性氨基甲酸酯乳胶’主剂(与高分子
聚合物异氰酸酯 ’固化剂(形成的双组分胶黏剂
’)Y((!主剂与固化剂配比为 #%%r#;!固含量 ;9e!
EJ约 519!涂胶量 $;% ‘9%% H+D4$$
:;=<方法
#1$1#:试验测试方法:在铣齿机上加工 9 种不同
嵌合度齿榫!齿形参数如表 # 所示$ 在指接端压为
91; [Y=的条件下!齿榫经涂胶后在指接机上加工
出对应 9 种嵌合度的指接材$ 待胶黏剂完全固化
后!参照日本 j,& [,ZZ!*/SAOAR=SA/> */3;6% 标准加
工出指接材抗弯强度测试试件!每个试验条件加工
试件 #" 个$ 在 (*&+hc*;;"$ 型力学试验机上检
测指接材的抗弯强度值$
表 :<齿形参数
+%7>:嵌合度
ZAS>BFF
C=SA/b
DD
齿长
ZA>HBC
0B>HSDD
齿顶宽
ZA>HBCSAE
TAQSDD
齿距
YASRDD
斜度
&0/EB
% $; #1$ "1$ #b"1%1# $915 #19 "1$ #b"1%19 $# #1; "1$ #b"1#1$1$:有限元模拟分析方法:利用 ,*&M& 有限元
分析软件建立 9 种嵌合度条件下樟子松结构用指接
材抗弯强度测试有限元模型’图 #(!齿形参数如表
# 所示$ 通过自由网格划分方法进行网格划分’图
$(!同时输入通过试验测得的樟子松木材各向弹性
常数值’表 $(及屈服极限值’何盛! $%##( ’表 9($
由于指接材生产过程中加入胶黏剂!因此除定义樟
子松木材的特性参数外!还应定义胶黏剂的特性参
数!且将胶黏剂看做一种各向同性材料进行处理$
此外!为减少应力集中的影响!在材料加载部位设置
一加载垫片!且同样以各向同性材料处理$ 模拟分
析过程中所采用的胶黏剂’郑小玲等! $%%!(及垫片
’何盛! $%##(的材料特性参数值如表 ! 所示$
图 #:指接材 [ch有限元模拟分析模型
ZAH3#:Z)D/QB0/O[chSBFST OAS>BFFC=SA/AF% DD
图 $:嵌合度 % DD抗弯强度测试模型网格划分结果
ZAH3$:[BF< CBFI0S/O[chD/QB0T OAS>BFFC=SA/AF% DD
表 =<樟子松木材各向弹性常数值
+%7>=<+B,,3%(1’..")(1%)1("*5’**,&,)15’&,.1’")(*"&2+,*//418(/%5+/0%&>#&,0&1+)"
弹性常数值 )0=FSARR/>FS=>SF
I-b[Y= $-h $-+ I+b[Y= $+h $+- Ihb[Y= $h+ $h- Wh+b[Y= W-+b[Y= W-hb[Y=
6 #5# %1!5$ %1;;" !\%1! %1995 %1%99 "9#1\ %15\; %1%;9 !!1!" ;$#15 \\\15
表 @<樟子松木材各向屈服应力值
+%7>@<+B,2’,35(1&,(("*5’**,&,)15’&,.1’")(*"&
2+,*//418(/%5+/0%&>#&,0&1+)"
顺纹
-/>HASIQA>=0
径向
h=QA=0
弦向
+=>HB>SA=0
抗拉屈服应力
+B>FA/> LAB0Q FSCBFFb[Y=
9$1$6% !1%% !1%%
抗压屈服应力
’/DECBFFA2BLAB0Q FSCBFFb[Y=
##1%9# !15! !19剪切屈服应力
&!1#9% !1!# !1#9
表 E<胶黏剂及垫片材料特性参数
+%7>E材料类别
[=SBCA=0F
材料特性参数 [=SBCA=0F/ EC/EBCSABF
弹性模量[c)’I(b[Y=泊松比Y/AFF/> C=SA/’$(
胶黏剂 ,Q加载垫片 K=FPBS # %%% %1$%
在模型两端施加 9 个方向的位移约束!采用三
点弯曲方法进行测量!并在加载垫片上对模型按照
设定的载荷步匀速加载!加载速度如图 9 所示$ 通
!:第 ## 期 何:盛等" 樟子松指接材抗弯强度有限元模拟分析
过计算得出模拟分析结果!模拟分析材料在载荷作
用条件下的变形及应力状态!绘制出相应的载荷 4
位移变化曲线!并根据式’#(计算樟子松结构用指
接材抗弯强度值"
%L
9DD=V5
$(>$
$ ’#(
式中" %代表抗弯强度! [Y=# DD=V代表最大弯曲破
坏载荷! *# 5为两支座间跨距! DD# (和 > 分别为
试件宽度和高度!DD$
图 9:抗弯强度测试加载速度
ZAH39:-/=Q C=SB/O[chSBFS
$:结果与分析
以嵌合度为 %19 DD条件下指接材为例!从模
拟分析结果’图 !(可以看出!指接材在 R轴方向载
荷作用下!R轴方向变形随载荷增加而逐渐增大!直
至材料产生弯曲破坏$ 在应力分布方面!_轴及 R
轴方向应力分布较为均匀!而在 ‘轴方向!应力随
材料变形量的增大而逐渐增大!且分布不均$ 在加
载部位的附近材料由于产生压缩变形而承受较大的
压应力!而在加载部位向对面则由于材料产生拉伸
变形而承受较大的拉应力!当应力达到材料屈服极
限应力值时产生失效破坏!此时对应的载荷值即为
指接材抗弯极限载荷$
图 ; ‘5 分别为指榫嵌合度为 %!%1# 和 %19 DD
状态下!通过有限元模拟分析得出的位移 4时间曲
线及其应力应变图$ 在对模型进行加载时!载荷随
载荷步’对应图 ; ‘5 中时间(线性变化!因此图 ; ‘
5 中的位移 4时间图即对应载荷 4位移图$ 从图 ;=
可以看出!嵌合度为 % DD时!加载载荷步达到 "!即
对应载荷 # !%% *之前!指接材仍处在弹性变形阶
段$ 当载荷逐渐增大时!塑性变形逐渐增加!直至载
荷步达到 #!!即对应计算载荷为 $ \%% *时!模型中
部分材料单元产生屈服!材料产生弯曲破坏$ 因此
根据模拟分析结果!载荷 $ \%% *对应的即为樟子
松指接材在嵌合度为 % DD时的抗弯极限载荷$ 按
照抗弯强度计算公式可以计算出对应的抗弯强度值
为5"1% [Y=$ 同样!从图 \!5 中可以看出!指榫嵌合
度为 %1# 和 %19 DD时对应的指接材抗弯极限载荷
分别为 $ !%% 和 # ;%% *!即对应的抗弯强度分别为
5$1% 和 !;1% [Y=$
将试验测试结果与模拟分析结果进行对比’表
;(可以发现!嵌合度为 % DD时!有限元法模拟分析
得出的指接材抗弯强度值相对试验测试结果偏大
#!1%e!而嵌合度为 %1# 和 %19 DD时!模拟分析结
果相对试验测试结果分别偏小 ;1#e和 9;19e$ 试
验测试结果与模拟分析结果之间存在较大的偏差$
表 F<指接材抗弯强度测试结果对照
+%7>F,Z$,&’#,)1%3%)5#"5,3’)C &,(431(
嵌合度
ZAS>BFFC=SA/b
DD
试验测试结果
)VEBCADB>S=0
CBFI0SFb[Y=
模拟分析结果
[/QB0A>H
CBFI0SFb[Y=
误差
)CC/C’e(
% \"1! 5"1% #!1%
%1# 5;16 5$1% 4;1#
%19 \61\ !;1% 49;19
在模拟分析过程中!指榫嵌合度为 %1# DD状
态下!由于嵌合度的存在!指榫指尖与齿底不能完全
嵌合!空隙部位被胶黏剂所填充$ 胶黏剂的材料特
性与木材不同!其固化后刚性更好!但脆性同样更
大$ 在受到载荷作用时!容易在木材与胶黏剂的结
合部位产生应力集中!导致材料强度降低$ 从模拟
分析结果可以看出!嵌合度为 %1# DD时指接材抗
弯强度极限值 ’ 5$1% [Y=( 比嵌合度为 % DD时
’5"1% [Y=(有 所 降 低$ 而 随 着 嵌 合 度 增 大 至
%19 DD!指榫长度减小而齿顶隙增大!指接材齿顶
隙增大!齿顶部位填充的胶黏剂更多!更易引起加载
过程中的应力集中!从而导致指接抗弯强度明显降
低’!;1% [Y=($
指接材实际生产过程中!木材内部含水率较表
层含水率高!在指榫加工后!齿榫部位因含水率高而
产生干缩现象$ 在干缩过程中!齿尖部位由于受到
周围木材的牵制较少!其变形量相对齿底更小$ 这
就导致指榫齿顶宽与齿底宽之间的差异变小!即嵌
合度减小!使齿顶部位填充的胶黏剂量减少!从而减
小因胶黏剂填充齿顶隙而产生的应力集中现象!提
高材料的抗弯强度$ 基于以上的观点!在指接材加
工过程中!嵌合度为 % DD时指榫因干缩变形而导
致实际嵌合度为负值!胶黏剂填充其中的缝隙!使指
接后材料的抗弯强度值’\"1! [Y=(下降!低于嵌合
;林 业 科 学 !" 卷:
图 !:嵌合度 %19 DD指接材 [ch模拟分析结果
ZAH3!:[/QB0A>HCBFI0S/O[chSBFST OAS>BFFC=SA/AF%19 DD
度为 %1# DD时指接材的抗弯强度值’5;16 [Y=($
而在利用模型进行模拟分析时!由于未考虑指榫加
工后的干缩变形情况!导致模拟分析得出的结果中!
嵌合度为 %1# DD时的指接抗弯强度模拟分析值较
嵌合度为 % DD时的模拟分析值小# 而指榫嵌合度
为 %19 DD时!齿榫加工后产生的干缩现象减小了
嵌合度!从而提高了材料的指接抗弯强度!导致其抗
弯强度测试值’\61\ [Y=(与嵌合度为% DD时无显
著差异!并未因嵌合度的增大而大幅度减小$
有限元法模拟与试验测试结果中抗弯强度值相
对指榫嵌合度的变化趋势不一致$ 嵌合度为 % DD
状态下!抗弯强度试验测试结果’\"1! [Y=(相对模
拟分析结果 ’5"1% [Y=(偏小# 而嵌合度为 %1# 和
%19 DD时!试验测试结果相对模拟分析结果偏大$
这一现象主要与 $ 方面的因素有关$ 首先!利用模
型进行模拟时!考虑的是材料处于理想加工状态!如
指接材在指接胶合过程中材料本身未产生破坏!且
指接部位的胶合强度一致!未出现部分缺胶等现象#
而在指接材的加工过程中!不可避免会有加工缺陷
的存在!如指接头存在未涂胶的部位)指接头的损坏
\:第 ## 期 何:盛等" 樟子松指接材抗弯强度有限元模拟分析
图 ;:嵌合度为 % DD时模拟分析曲线
ZAH3;:[=EF/OZ)D/QB0A>HT OAS>BFFC=SA/AF% DD
图 \:嵌合度 %1# DD时模拟分析位移时间曲线
ZAH3\:8AFE0=RBDB>S?SADBD=E A> Z)D/QB0A>HT OAS>BFFC=SA/AF%1# DD
图 5:嵌合度 %19 DD时模拟分析位移时间曲线
ZAH35:8AFE0=RBDB>S?SADBD=E A> Z)D/QB0A>HT OAS>BFFC=SA/AF%19 DD
和胶料中带有锯末等!其中某些缺陷会大大地影响
指接强度’刘志福! #66;($ 而木材中节子)腐朽)斜
纹理)裂纹等缺陷的存在!将严重地削弱木材的强度
’徐永吉! $%%%(!导致指接材强度下降$ 在模拟分
析过程中!木材被近似为圆柱对称!即纵向)径向和
弦向 9 个基本方向的正交各向异性材料!未考虑木
材缺陷!这就使模拟分析得到的指接材强度测试结
果相对试验测试值偏大$ 其次!模拟分析过程中忽
略了指榫因干缩变形造成的嵌合度下降!导致在嵌
合度为 %1# 及 %19 DD条件下!模拟分析模型中齿
5林 业 科 学 !" 卷:
榫嵌合度较实际生产中大!胶黏剂填充齿顶隙!在加
载过程中产生应力集中!造成模拟分析结果减小$
如嵌合度为 % DD时!试验过程中齿榫的干缩造成
指榫嵌合度为负值!指接材抗弯强度下降!而模拟分
析过程中由于未考虑这一影响因素!使模拟分析结
果相对试验测试结果偏大$
9:结论及建议
利用有限元分析软件 ,*&M& 建立樟子松结构
用指接材的抗弯强度测试模型!模拟预测不同嵌合
度条件下樟子松结构用指接材的抗弯强度值$ 将模
拟分析结果与试验测试结果进行对比分析!得出以
下结论"
#( 利用有限元法可以预测理想加工状态下樟
子松结构用指接材的抗弯强度$ 嵌合度为 %!%1# 和
%19 DD时! 模拟分析得出的抗弯强度分别为 5"1%!
5$1% 和 !;1% [Y=!相对试验测试结果的误差分别为
#!1%e!;1#e和 9;19e$
$( 试验测试结果与模拟分析结果存在偏差的
原因主要有 $ 个" 首先!模拟分析过程未考虑材料
缺陷及指接过程中存在的加工缺陷# 其次!模拟分
析过程中未考虑齿榫加工后干缩变形导致的指接嵌
合度下降$ 二者的共同作用导致在不同嵌合度条件
下生产的指接材!其抗弯强度变化趋势与有限元模
拟分析结果有所不同$
9(为使有限元模拟分析方法可以更好地用于
预测指接材料的抗弯强度!建议对模拟分析模型进
行一定程度的修正$
参 考 文 献
何:盛3$%##3樟子松指接材有限元模型分析研究3南京林业大学
硕士学位论文3
梁善庆!蔡智勇!王喜平!等3$%%"3北美木材无损检测技术的研究
与应用3木材工业!$$’9( "; 4"3
林兰英!傅:峰3$%%53三种无损检测方法预测四种桉树木材弹性
模量的对比研究3木材加工机械!#"’9( "$! 4$63
刘志福3#66;3指接处各种缺陷对指接强度的影响3国外林业!$;
’#( "66 4#%#3
徐永吉3$%%%3木材的特性3中国木材!’;( "$# 4$$3
张厚江!申世杰!崔英颖!等3$%%;3振动方式测定木材弹性模量3北
京林业大学学报!$5’\( "6# 46!3
赵荣军!霍小梅!张:黎3$%%%3利用近红外光谱技术预测粗皮桉木
材弹性模量3光谱学与光谱分析!$6’6( "$96$ 4$96;3
郑小玲!孔凡荣!游:敏!等3$%%!3胶层厚度对拉伸试样应力分布影
响的数值分析3粘结!$;’;( "9% 49$3
gAL/P/M! +=PBF /O&IHA
OA>HBC?W/A>SBQ 0=DA>=BTAS< =P>/S=>Q FS=C2BQ W/A>SFNL=R/IFSAR
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W/A>S3Z/CBFSYC/Q j!;!’9( "\\ 45;3
!责任编辑:石红青"
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