Древесина как неоднородный материал

На механические свойства древесины, как и на свойства любого другого конструкционого материала, существенно влияет ее структура — сложный комплекс элементов с характерными особенностями на каждом из трех уровней: макро, микро и субмикро. Чтобы правильно выбрать метод механических испытаний, размеры и форму испытуемых образцов, а также объективно оцепить получаемые результаты, экспериментатор обязан хорошо представлять внутреннее строение древесины, т. е. изучить техническую анатомию древесины, основы которой заложены в трудах В. Е. Вихрова, В. Е. Москалевой, Л. М. Перелыгина, А. А. Яценко-Хмелевского. В настоящее время большие работы в области технической анатомии проводятся е нашей стране и за границей. Роль технической анатомии при исследовании механических свойств древесины трудно переоценить. Исследование структуры древесины, особенно ее изменений под действием нагрузок, позволяет ответить на самые неожиданные вопросы, возникающие при анализе результатов механических испытаний, например, обоснованно выбрать расчетную модель древесины различных объемов. Каждому характерному объему древесины соответствует определенная расчетная модель. При рассмотрений составляющих структуры как механических элементов с помощью методов технической анатомии можно определить наименее прочные из них, обнаружить случайные нарушения регулярной структуры, установить их влияние на прочность элемента и образца, вскрыть причины анизотропии прочностных и упругих свойств древесины. Достижения технической анатомии эффективно могут быть использованы при модификации древесины. Изучение рациональных природных форм ее структуры поможет человеку применить полученные знания при создании искусственных структур композиционных материалов.

Условимся относить к элементам макроструктуры древесины элементы от 0,1 мм и более, т. е. хорошо видимые невооруженным глазом. Этими элементами являются слон ранней и поздней древесины, сердцевинные лучи средней и большой ширины, сердцевинные повторения, крупные смоляные ходы и крупные сосуды. Распределение указанных элементов по объему древесины будем считать регулярным, т. е. их количество принимаем одинаковым в каждой единице объема. При этом объем, при котором справедливо принятое допущение о квазиоднородности древесины, не должен быть меньше 1 см3. Количество макроэлементов в этом объеме будет достаточно большим, поэтому при испытании об­разцов древесины объемом индивидуальные физико-механические свойства регулярных элементов макроструктуры не будут проявляться в явной форме, а только окажут определенное влияние на средние показатели прочности и жесткости. Эти показатели будут отражением соответствующих интегральных свойств макроэлементов. Несмотря на то, что каждый из элементов макроструктуры имеет полости, а индивидуальные физико-механические свойства их существенно различаются, можно с достаточной степенью точности принять объемы как сплошные и однородные.

Принятое допущение позволяет применять уравнения сплошных деформируемых сред для древесины в макрообъемах. Однако получаемые в результате теоретического и экспериментального исследования результаты можно охарактеризовать только как механические характеристики макрообъемов «чистой» древесины, без сучков, трещин, завитков, смоляных кармашков, сердцевинной трубки, тангенциального и радиального наклонов волокон и т. д. Назовехм их неоднородностями «первого» рода. В технической литературе неоднородности «первого» рода называют пороками древесины (ГОСТ 2140). Они могут достигать довольно существенных размеров, соизмеримых с размерами изделия из древесины, для которого в этом случае нельзя считать приемлемой гипотезу одиородного твердого тела.

Опыты показывают, что механические характеристики «чистой» древесины, полученные при испытании образцов разных размеров, различны. Это объясняется тем, что для таких образцов различны относительные размеры неоднородностей «второго» рода, а также количество и характер скрытых неоднородностей «первого» рода. Неоднородностями «второго» рода будем считать неопределенную ориентацию годовых слоев по отношению к граням образцов, микротрещины, крупные полости смоляных ходов и сосудов, различную кривизну годовых слоев, (неодинаковые размеры их по радиусу и т. д. Сказанное свидетельствует о невозможности структурного моделирования даже для «чистой» древесины, не говоря уже о древесине, имеющей явно выраженные неоднородности «первого» рода (пороки).

К элементам микроструктуры будем относить все элементы от 0,001 до 0,1 мм. К этим элементам относятся трахеиды, сосуды, волокна либриформа. Указанные элементы образуют регулярную ячеистую систему. Механические свойства отдельных участков (поздней и ранней зон, сердцевинных лучей) существенно отличаются друг от друга.

В качестве неоднородностей будем рассматривать полости смоляных ходов и сосудов с размерами по диаметру значительно большими размеров регулярных элементов (трахеид, волокон либриформа и т. д.). К неоднородностям следует отнести также полости трахеид с размерами, существенно превышающими средние статистические значения, или трахеиды, толщина стенок которых значительно ниже средних статистических значений, паренхимные клетки сердцевинных лучей, крайне неоднородные, имеющие более низкие механические свойства, чем прозенхимные клетки основной структуры. Указанные неоднородности будем называть неоднородностями «третьего» рода.

Наименьший элемент древесины, рассматриваемой на этом уровне, должен иметь объем 1 мм3. Этот объем можно считать относительно большим, включающим достаточно много элементов микроструктуры, и достаточно малым, чтобы отражать средние показатели ранней и поздней древесины. Структуру на данном уровне можно только условно примять за сплошную. При оценке прочности и жесткости древесины на этом уровне поступаем так же, как при рассмотрении пористых материалов вроде пенобетона, пенопласта и т. д.

Исследование объемов должно обязательно сопровождаться расчетом на прочность и жесткость отдельных прозенхимных клеток как полых элементов. Анализ поведения под нагрузкой принятой ячеистой системы и различные формы ее разрушения дают объяснение специфическим особенностям деформации и разрушения древесины в более крупных объемах.

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ:

    Опубликовано: 21.02.2010   Просмотрено: 1,385 раз


      Какой способ распиловки бревен вы используете?


       
    Загрузка ... Загрузка ...
?php get_sidebar_right(); ?