沙柳材物理力学特性测定与分析*

张少勇 刘志刚 裴承慧 段明泽 刘鹏飞

（内蒙古工业大学机械工程学院，呼和浩特 010051）

沙柳是沙生灌木植被的典型代表，是我国西北地区防风固沙的主要植被[1-3]。沙柳有平茬复壮的生物习性，否则不到7 年就会变成枯枝[4-6]。但是如果平茬出现茬口灼伤和死皮撕裂现象，就会影响来年沙柳的发芽率，导致这种现象的主要原因是锯切参数不合理[7-9]。国内外通过有限元仿真模拟的方法对圆锯片结构参数和工作参数进行优化[10-14]，而锯切材料的物理力学特性是有限元仿真的基础。国内外专家学者测定了各类木材的物理力学特性[15-19]。本文通过试验研究沙柳材物理力学特性，为有限元锯切仿真提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 材料

沙柳(Salix mongolica)。为使试验数据符合大部分沙漠的情况，使试验更具可靠性，在库布齐沙漠进行试材的采集。按照相关标准，采集了生长年限为5年的沙柳；选择膝径（距地面0.5 m处灌木材的直径)大于12 mm，枝条通直，无伤疤，无侧条的沙柳作为试验用材。

1.2 设备

试验主要设备与仪器：DYSY-8000W微机水分测定仪(鹤壁电子研究所),WDW-200 微机控制电子万能力学试验机(山东万辰试验机有限公司)。

1.3 试验方法

1.3.1 含水率检测

含水率是沙柳材的一个重要物理力学特性指标，不同含水率下有不同的力学性能[20-22],因此在进行拉伸、压缩等各种力学性能测试之前，先测定沙柳材的含水率。含水率测定参照LY/T2369—2014《沙生灌木物理力学性能测试方法》和GB/T1931—2009《木材含水率测定方法》进行。

1.3.2 拉伸强度检测参照GB/T1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》和LY/T2369—2014 进行拉伸强度测定。

1.3.3 压缩强度检测

参照LY/T2369—2014 和GB/T1935—2009 《木材顺纹抗压强度试验方法》以及GB/T1939—2009 《木材横纹抗压试验方法》进行压缩强度测定。

1.3.4 抗弯强度检测

参照GB/T1936.1—2009《木材抗弯强度试验方法》和LY/T2369—2014 进行抗弯强度测定。

2 结果与分析

2.1 含水率

测得沙柳气干材的含水率为10.41%，检测数据详见表1。

表1 沙柳气干材含水率Tab.1 Moisture content of air-dried salix

2.2 拉伸强度

沙柳气干材顺纹抗拉试验结果如表2 所示。

表2 沙柳气干材顺纹抗拉强度试验数据Tab.2 Tensile strength test data of air-dried salix

图1 轴向拉伸力-位移曲线Fig.1 Axial tensile force-displacement curve

从图1 可知，在沙柳气干材轴向拉伸试验最初加载过程中，随着轴向拉伸力的逐渐增加，位移逐渐增加，轴向拉力-位移曲线具有一定的线性关系，体现出弹性性质；当轴向拉力达到沙柳最大抗拉强度时沙柳试件断裂，此时轴向拉力为4 303 N，得出抗拉强度为133.28 MPa。试验过程中，随着轴向拉力的逐渐加载，曲线无明显的屈服和强化阶段，沙柳试件被拉断时位移仅为6 mm，延伸率很小，因此沙柳材拉伸物理力学特性表现出一定的脆性。

2.3 压缩强度

2.3.1 轴向压缩

沙柳气干材的轴向压缩数据如表3 所示。

表3 沙柳气干材轴向压缩试验数据Tab.3 Axial compression test data of air-dried salix

图2 轴向压缩力-位移曲线Fig.2 Axial compression force-displacement curve

由图2 可见，在沙柳材轴向压缩试验中，开始加载时，沙柳气干材处于弹性阶段，轴向压缩力-位移曲线具有一定的线性关系；随着载荷的增加，因细胞壁厚度及细胞直径不等，细胞壁逐渐皱折或向腔内塌陷，导致沙柳气干材在较小范围内被迅速压实，轴向压缩力陡然上升，此时处于致密阶段，轴向压缩力-位移曲线为非线性；当达到沙柳材最大抗压强度时，纤维管内细胞失去平衡能力，此时最大压缩力16.404 kN，得出轴向抗压强度为73.00 MPa,沙柳材纤维发生屈曲、褶皱，并逐渐过渡至压溃阶段，最终沙柳破裂。

2.3.2 弦向压缩

沙柳气干材弦向压缩试验结果如表4 所示。

表4 沙柳气干材弦向压缩试验数据Tab.4 Experimental data of chordwise compression of airdried salix

弦向压缩试验中，加载方向垂直于沙柳材的纤维方向，从图3中可以看出，加载前期弦向压缩力-位移呈线性关系，此时处于弹性阶段，细胞发生微小变形；随着载荷的继续增加，在越过屈服点（此时最大弦向压缩力2 520 N，弦向抗压强度为11.20 MPa）之后，细胞逐渐被压溃，细胞壁发生向腔内坍塌变形，位移迅速增大而弦向压缩力略有增大，此时进入屈服后弱线性强化阶段；随着载荷的增加细胞壁会相互接触，细胞腔被完全填充，细胞被压密，此时进入幂强化阶段[23-25]，弦向压缩力会随位移的增加而急剧增大。最后沙柳材被压溃。

2.3.3 径向压缩

沙柳气干材径向压缩试验结果如表5 所示。

表5 沙柳气干材径向压缩试验数据Tab.5 Radial compression test data of air-dried salix

图4 径向压缩力-位移曲线Fig.4 Radial compression force-displacement curve

弦向、径向压缩试验中得到两条相似的力-位移曲线，这是因为径向压缩和弦向压缩都是属于横纹压缩，从两条曲线中可以看出，二者在压缩试验中表现出相似的特性，径向压缩也经历了弹性阶段、屈服后弱线性强化阶段和幂强化阶段。得到径向抗压强度为12.84 MPa。

2.4 抗弯强度

沙柳气干材三点弯曲试验结果如表6 所示。

表6 沙柳气干材三点弯曲试验数据Tab.6 Experimental data of three point bending of air-dried salix

图5 三点弯曲试验压力-位移曲线Fig.5 Three point bending test pressuredisplacement curve

从图5可看出,在加载的初始阶段，压力与位移呈现线性关系，此时沙柳气干材处于弹性阶段。随着载荷的增大，压力-位移曲线斜率在降低，这是因为有少数木材纤维开始断裂。当载荷达到302.4 N时，沙柳气干材断裂。得到沙柳气干材的抗弯强度为106.31 MPa。

3 结论

通过含水率试验得到沙柳气干材的含水率为10.41%，最大抗拉强度为133.28 MPa，轴向、弦向和径向的最大抗压强度分别为73.00、11.20 MPa和12.84 MPa，抗弯强度为106.31 MPa。轴向抗压强度约为弦向抗压强度的6.5 倍，径向抗压强度与弦向抗压强度之比约为1.1，表明沙柳气干材横纹抗压强度远小于顺纹抗压强度，横纹抗压强度相近。顺纹抗拉强度与顺纹抗压强度之比约为1.8，表明沙柳属于轴向拉压强度不等的正交各向异性材料。此次试验所得数据为锯切仿真提供了材料的失效参数。