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人造板是指以木材或其他植物纤维为主要构成原料，经过机械加工分离成各种形状、大小的单元材料后，然后根据实际需求考虑添加或不添加胶黏剂，在一定的物理化学处理后压制而成的板材或型材[1-2]。而足尺人造板特指国内外人造板生产和销售中的大幅面成品人造板，最典型的幅面尺寸是2.44 m × 1.22 m。传统人造板主要包括胶合板、纤维板、普通刨花板和细木工板等种类，其中前3类板材是目前国内人造板行业的三大主导产品，占人造板总产量的80%以上[3]。新型人造板主要是指以承载为目的的结构用人造板，包括定向刨花板（OSB）、正交胶合木（CLT）和结构复合木材（SCL）等。我国定向刨花板虽然已有生产，但和发达国家相比，产量还有差距，还需要大量进口[4]。正交胶合木和结构复合木材这两种新型人造板当前在我国还不能生产或生产很少。
人造板作为一种典型的木质复合工程材料，在我国主要用于制造家具，20%左右用于建筑装修，其余的在交通运输、包装、乐器等领域也有一些应用；但在国际范围上，50%的人造板用于建筑业，其余的用于制造家具以及其他领域[5]。力学性能是人造板质量的重要组成部分，不同的应用领域对人造板的力学性能要求也不尽相同。为了提高人造板的生产质量，科学合理地使用人造板，扩大其适用范围，必须掌握人造板的力学性能以及实时在线检测技术。人造板材力学性能传统的检测方法是破坏性检测，已经不 适用于生产线上的连续快速检测。因此，人造板力学性能无损检测的研究、开发和应用正在得到重视和发展。
大量研究表明：弹性模量、剪切模量和动态黏弹性正是无损评估足尺人造板力学性能非常重要的3个指标。通过对这些指标的准确测定，对人造板生产过程的质量控制以及合理、有效地使用人造板产品都有非常好的实践指导意义。本文首先对人造板力学性能及其检测方法进行概述，然后对国内外人造板力学性能振动检测研究现状进行汇总与分析，以期为科研工作者开展基于振动法无损评估足尺人造板力学性能的研究提供指导和帮助。
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人造板力学性能是指用来抵抗外部机械力作用的能力，主要包括弹性常数（如弹性模量和剪切模量等）、强度常数（如静曲强度、内结合强度和抗压强度等）和黏弹性（如静态黏弹性和动态黏弹性）3大部分[6]。国内外的大量研究表明：人造板弹性常数与其强度常数间存在着统计上的线性关系[7-10]。人造板力学性能的检测不仅为使用者提供合理的理论依据，也为人造板生产部门探索新加工方法，为扩大人造板适用范围提供强有力的理论支撑。因此，采用科学的手段和方法对其力学性能进行评估，掌握其力学性能的特点，一直是国内外学者在人造板研究领域所关注的焦点之一。
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目前，国内外足尺人造板力学性能检测基本采用标准力学试件检测法。这一检测方法，根据相关国标规定，通常根据产量，抽取一定比例的成品板材，首先在大尺寸板材不同部位截取数个标准小试件，然后在力学试验机上，对标准试件进行变形和破坏性试验[11-12]。根据数个标准试件的测量结果综合评价足尺板材整体的弹性常数和强度常数。由于将大尺寸板材截取成小尺寸标准试件，必须破坏原始板材，且不同性能指标测试所需截取小试件的尺寸各不相同。因此这种方法属于有损检测，检测效率低，而且抽样检测不能保证每件产品的质量都达到要求。另外，只能在实验室环境中进行，测试结果滞后，不利于生产参数的实时调整或微调。
此外，美国材料与试验协会（ASTM）在ASTM D 3043-00 [13]标准中，还规定了利用纯弯曲扭矩法检测足尺人造板整板的弹性模量。检测原理是通过2个自由框架分别在板材两端加载等量的扭矩，使板材发生纯弯曲，来检测板材的弹性模量。这也是一种静态的、破坏性检测方法。
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无损检测是指利用材料内部特性或存在的缺陷，在不损害或不影响被检测对象的使用性能且不伤害其内部组织的前提下，以物理或化学方法为手段，借助现代化的技术和设备器材，对试件内部和表面的性质、状态及缺陷进行检查的方法[14]。
目前，常见的人造板力学性能无损检测方法根据其检测原理的不同主要有振动法、机械应力变形法和应力波检测法等[15]。
其中，由于振动法有着快速和检测结果重复性好的优点，研究较多，其测量原理是以某种支承下人造板振动模态参数特性与其弹性模量等力学性能指标之间的数学关系为检测基础理论，对被测试件施加瞬时外力使之产生自由振动，通过计算机分析和处理传感器采集到的振动信号，得出被测试件的自由振动频率、对数减幅系数和密度，进而测得试件的弹性模量、剪切模量和动态黏弹性等力学性能。
机械应力变形法是采用机械方法加载恒定载荷（或变形）于被测人造板上，由传感器测得相应的变形（或载荷），通过计算机计算出被测板材的抗弯（静态）弹性模量。1985年，Bach[16]研究了基于机械应力变形法的足尺板材机械应力测试设备MSR用于无损检测足尺结构人造板弹性模量的可行性。1990年，Mcnatt等[17]通过检测3种足尺人造板（定向刨花板、胶合板、普通刨花板）的大量实验，发现机械应力变形法测得的弹性模量与纯弯矩、四点弯曲、三点弯曲这3种方法测得的静曲强度间有非常好的线性相关性，决定系数R2 = 0.74 ~ 0.82。2002年，高燕秋等[18]通过在足尺人造板几何中心加载静载荷，测量其挠度进而计算弹性模量，并研制了基于机械应力变形原理的足尺人造板弹性模量无损检测显示机TMJ-A。目前，国内外足尺人造板整板力学性能机械应力变形检测技术都已经比较成熟，也开发了一些检测设备，例如：国外的足尺板材机械应力测试设备MSR[19]和国内的足尺人造板弹性模量无损检测显示机TMJ-A等。该检测方法的不足是一次只能测试板材一个方向的弹性模量。
应力波检测法是基于被测人造板的弹性模量E与被测板材密度ρ以及应力波通过被测板材的波速C的数学关系式E = C2ρ[20]，通过测量应力波的波速，间接测得被测人造板的弹性模量。1995年，王志同等[21]通过探究被测物弹性模量和密度及应力波在被测物内的波速的关系，提出了使用应力波无损测定中密度纤维板弹性模量的方法，并和国标中的破损法测得的中密度纤维板弹性模量的测量结果进行了对比，发现两种方法的检测结果之间有着很显著的相关性。2015年，Mirbolouk和Roohnia[22]也研究了基于纵向应力波法无损检测足尺中密度纤维板整板长度和宽度方向弹性模量的可行性。
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国内外学者都进行了大量基于梁振动原理的人造板小试件弹性模量和剪切模量无损检测的研究，国内的学者包括胡英成、池德汝、王正、黄跃娟、张厚江、郭志仁、闫海成、王志强等，国外学者如Dündar、Turk、Yoshihara、Hunt等。这些研究的共同特点是将小试件看做一个梁，从梁振动理论出发，基于弹性模量和剪切模量与试件振动频率、密度、尺寸的关系，测定人造板小试件的弹性常数。其中，北京林业大学张厚江和美国农业部林产品实验室Hunt等基于悬臂梁振动原理对人造板小试件弹性常数的无损检测开展了较全面和系统的研究，联合研制了薄板木质材料力学性能检测分析仪，可以实现人造板小试件弹性模量和剪切模量的检测以及相关力学性能的等级划分[23-26]。虽然小试件需要从大板材上截取，是一种破坏，但与小试件静态检测相比，其检测效率高得多。可以说，小试件弹性常数振动检测，是人造板力学性能快捷无损评估的一个很好尝试。
利用振动方式对足尺人造板弹性模量和剪切模量检测的研究，总的说，学者们共进行了3个方面的工作。第一方面是基于模态分析的方法研究板材在某种支承条件下的振动模态情况；第二方面是基于板振动理论研究该支承下所要检测的板材弹性常数与模态振型间的数学关系式；第三方面是将该支承下基于振动法所测得的板材弹性常数与已有测试方法的检测结果进行对比，验证该支承下振动法检测足尺人造板多弹性常数的可行性。
早在20世纪70年代初，国外学者就开始研究基于振动法如何实现足尺人造板弹性模量和剪切模量的无损检测。1974年，Mclain和Bodig[27]开发了一个试验装置，基于横向振动和静态弯曲这2种测试技术分别检测了胶合板和刨花板这2种足尺人造板整板两个方向的动态和静态弹性模量，发现这2种测试技术所测得板材的弹性模量有着很好的相关性，并利用美国ASTM剪切模量标准[28]改进后的方法直接测试了这2种板材整板剪切模量，同时和美国ASTM剪切模量标准中规定的方法所得到小试件的测试结果进行了对比，还利用修正系数对所得结果进行了修正。1987年，Nakao和Okano[29]通过研究十字交叉支承下人造板扭转振动模态的特性，提出了一种动态板剪切法，检测了几种方形人造板的剪切模量，并与弯曲振动法和静态板剪切法所测的结果进行了对比，发现动态板剪切法所测的人造板的剪切模量，和其他2种方法的结果有着很好的一致性。1988年，Bach和Porter[30]发明了基于横向振动理论的两端简支支承下足尺人造板弹性模量无损检测的设备和方法。同年，Coppens[31]通过用橡胶绳悬挂的方式实现了刨花板的四边自由支承（FFFF），并对这种支承下刨花板的振动模态进行了研究，为基于振动法无损检测生产中刨花板的弹性模量和剪切模量奠定了基础。
进入20世纪90年代，更多的国外学者开始研究基于振动法如何实现更多支承条件下的足尺人造板弹性模量和剪切模量的无损测试。1991年，Lau和Tardif[32-33]研究了运用扭弯振动法如何实现定向刨花板弹性模量和剪切模量的无损检测，并发明了针对生产中的人造板力学性能无损检测的方法和设备。1992年，Sobue和Katoh[34]研究了利用振动法同时测量足尺胶合板整板的多个正交各向异性弹性常数。在测试的过程中，待测胶合板长边的一端简支，其他三边自由（SFFF），通过一个硬橡胶球敲击待测胶合板的自由长边距离边角15 cm处，再利用放置在自由长边的另一个角的一个压电加速度传感器来采集振动信号。最后通过快速傅里叶变换频谱仪对该振动信号进行了频谱分析，使用一个计算机编制的程序对需要的频率进行自动识别，便可以基于薄板横向振动理论分别计算出待测胶合板两个方向的弹性模量和剪切模量。1994年，Shi和Cai[8]基于振动法无损检测了完全自由的足尺刨花板的动态弹性模量，并建立了几个回归模型，可以有效地、准确地预测静态弹性模量、静曲强度和内结合强度，相关系数分别为0.99、0.96和0.83。同年，Shyamasunder等[35]使用横向自由振动法和扭转振动法分别无损检测了胶合板的弹性模量和剪切模量，发现横向振动法与三点弯曲法所得到的弹性模量值高度相关，但扭转振动法和静态剪切法所得到的剪切模量值相关性一般，需要增加试件数量，来达到好的相关性。1995年，Greubul和Wissing[36]研究了应用弯曲振动法无损检测水平悬臂夹紧支承的多种类型刨花板的弹性模量和剪切模量，并探究了悬臂长度对检测结果的影响。1996年，Schulte等[37]利用振动技术实现了宽度方向一边被夹紧，悬臂放置（CFFF）的足尺刨花板和中密度纤维板平行和垂直于生产方向的弹性模量以及剪切模量的无损检测。同年，Larsson[38]也利用振动测试的方法检测了四边完全自由（FFFF）的4块足尺中密度纤维板和6块足尺定向刨花板的弹性性质，其中，面内弹性性质（弹性模量和剪切模量）主要是基于薄板横向振动理论，通过理论和试验结合的方法得到的，并基于Reissner-Mindlin板理论测试了其中1块足尺中密度纤维板的面外剪切模量。2014年，Zhou等[39-40]基于模态测试的振动法无损检测了两个短边简支支承（SFSF）的定向刨花板、中密度纤维板、正交胶合木3种足尺人造板的弹性常数（长度和宽度方向的弹性模量与面内剪切模量），并且所测得的弹性常数值与相应的静态测试法所得到的值一致性很好。2015年，Zhou等[41-42]又使用模态测试的振动法对比了3种边界条件（FFFF、SFFF和SFSF）的2种足尺人造板（中密度纤维板和定向刨花板）的这3个弹性常数的无损检测，得到了以下结论：这3种边界条件结合相应的计算原理，都可以用于在实验室环境下检测足尺人造板的弹性模量和剪切模量；SFFF这个边界条件实现起来较为困难；SFSF是一种较为理想的边界条件，对于厚重的人造板，有实现在线检测的潜力。
除此之外，一些国外研究人员还尝试将计算模态分析和试验模态分析两种振动模态分析方法相结合，用于足尺人造板弹性模量和剪切模量的无损检测。主要原理是通过迭代法来缩小振动法所测得的板材振动频率和有限元分析法得到的计算频率之间的差距，认为得到足尺人造板的弹性常数更准确。Larsson[43]和Niederwestberg等[44]基于上述方法分别测量了四边完全自由的足尺定向刨花板和正交胶合木的弹性模量和剪切模量。2007年，Gsell等[45]利用试验模态分析方法和基于Reddy高阶板理论[46]的解析模型法分别得到了四边完全自由的正交胶合木的试验模态参数和计算模态参数，通过最小二乘法迭代来缩小所测得的板材试验模态频率和计算模态频率之间的差距，实现了正交胶合木弹性模量和剪切模量的无损检测。
国内关于振动法无损检测足尺人造板整板弹性模量和剪切模量的研究起步较晚，相关研究也较少。2007年，周海宾等[47]提出一种动态横向振动测试方法—扭弯法，并利用这种方法来测试足尺定向刨花板在悬臂振动中弯曲模态和扭转模态下的固有频率，然后通过这2个固有频率来计算足尺定向刨花板的弹性模量和剪切模量。
归纳起来，为利用振动方式实现足尺人造板弹性模量和剪切模量的同步无损检测，国内外学者研究过的被测足尺板材支承方式共有4种：全自由（FFFF）、单边简支（SFFF）、两对边简支（SFSF）和单边夹持（CFFF），如图1所示。
图 1 已有研究采用的足尺人造板支承方式
Figure 1. Supporting ways of full-size wood composite panels studied
已有研究中的人造板小试件弹性常数振动检测，往往是将人造板小试件假设为各向同性材料，通过研究不同支承方式的梁振动理论，建立第一阶模态参数与要检测的弹性常数间的数学关系，用于实现其弹性常数的振动检测。而足尺人造板多弹性常数同步振动检测，需要将足尺人造板假设为正交各向异性材料，研究不同边界条件的板（包括薄板和中厚板）振动理论，建立多阶模态参数与要检测的弹性常数间的数学关系或模型，才可以实现其多弹性常数的同步振动检测。
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和其他木质材料一样，人造板也具有黏弹性，包括静态黏弹性和动态黏弹性。人造板静态黏弹性主要体现为应力松弛和蠕变。人造板动态黏弹性参数主要包括储能模量和损耗模量，都是表征材料本身力学性能的重要参考指标，分别反映材料的刚度和阻尼特性，也影响着人造板的使用。例如作为枕木和桥梁等结构材料使用的人造板，既要有很高的刚度和强度，又要有一定的减振作用，这就要求所用到的人造板不仅要具备很高的储能模量，还要有一定的损耗模量；而作为隔音和吸音材料使用的人造板，就需要有较高的损耗模量，才可以起到隔音和吸音的效果[48]。
目前，国内外学者[49-53]对人造板等木质材料的应力松弛和蠕变等静态黏弹性行为进行了大量的研究。而有关人造板动态黏弹性的研究还比较少见。1948年，Nolle[54]基于自由振动的固有频率，得到了储能模量与损耗模量间的关系。1967年，Moslemi[55]通过悬臂振动法无损检测了2种硬质纤维板小试件的动态黏弹性。2012年，闫海成 [56]研制开发了基于悬臂梁自由振动理论的木质材料动态黏弹性检测分析仪，并通过试验验证了该检测分析仪可以被用于木质材料小试件动态黏弹性的快速、准确检测。当前的动态力学分析仪器DMA（Dynamic mechanical analysis）仅可以测试厚度不超过10 mm的人造板小试件的储能模量和损耗模量。
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虽然许多学者关于振动方式检测足尺人造板弹性常数的研究取得了可喜成果，但这些研究存在着如下不足：
（1）理论成果难以转化成实用技术。主要原因是已有研究的4种支承方式都存在着不足，单边夹持（CFFF）操作效率低，还可能对板材被夹持部分造成伤害；全自由（FFFF）和单边简支（SFFF）在实践操作中不容易实现；两对边简支（SFSF）只适用于厚度大的板材，对厚度较小的板材，会在重力作用下中间下凹，不能有效形成板材振动。也就是说，现在已有研究的4种板材支承方式实现起来都存在不足，尤其放在生产线上，不足更明显。这也是这些研究成果未能有效转化成实用技术并在生产中广泛使用的主要原因。同时，多种支承方式的正交各向异性板振动微分方程的精确解也是足尺人造板多弹性常数同步振动检测尚未建立的关键理论基础。
（2）未涉及到足尺人造板的动态黏弹性检测。动态黏弹性是代表人造板减振、隔音的重要指标，一直以来人们的关注程度不高。已有的研究都是针对小试件的检测，而以足尺人造板整板为对象，无损检测其动态黏弹性的研究还没有见到。
（3）足尺人造板弹性常数和强度常数间的理论关系模型还未建立。强度常数也是表征人造板力学性能的重要指标。已有的研究普遍都是针对人造板小试件，从统计上建立了弹性常数和强度常数间的数学关系模型，这样的数学关系模型有局限性，只适用于特定批次的板材。因此，为了真正实现足尺人造板力学性能的无损检测，必须建立其弹性常数和强度常数间的理论关系模型。
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为克服已有4种支承方式不足和找到一种便于理论研究转化成实用成果的面向力学性能评估的足尺人造板振动检测方法，张厚江等[57]曾提出过一种双节线支承的方式，即将被测足尺人造板在其长度方向的22.4%和77.6%两条节线处支承。周卢婧和管成等已确定了该支承方式下3种足尺人造板（中密度纤维板、普通刨花板和胶合板）的振动模态参数[58-59]，完成了基于薄板横向自由振动理论的足尺人造板弹性模量和动态黏弹性无损检测原理的研究工作[60-61]，并联合祖汉松等研发了足尺人造板力学性能手动和自动检测两种样机[62-65]。研究和实践结果表明：这种支承方式可以有效快速检测足尺人造板长度方向弹性模量和动态黏弹性，可用于中密度纤维板、普通刨花板等可以假设为面内准各向同性模型的板材弹性模量和动态黏弹性的快捷无损检测。虽然这种支承方式没有前面4种支承方式的不足，但两条支承线会限制某些模态振型的出现。因此，对于胶合板、OSB和CLT等正交各向异性板材宽度方向弹性模量的检测，以及对板材面内剪切模量的检测，实现起来较为困难。
为此，管成等[66]在前期双节线支承研究基础上，提出一种新的支承方式—四节点支承，即将被测足尺人造板在其长度、宽度方向22.4% 和77.6% 的两条振动节线的4个交点处支承，如图2所示。与双节线支承一样，这也是一个实验室和生产线都非常容易操作，便于将理论成果转化成实用技术的支承方式。经过理论和试验模态分析[67]以及试验操作[68]找出了该种支承方式下对4种足尺人造板（中密度纤维板、普通刨花板、胶合板和OSB）长度和宽度方向的弹性模量以及面内剪切模量灵敏度最高的模态，并基于薄板横向振动理论，使用瑞利能量法推导出这3个弹性常数与其灵敏度最高的模态的特征参数的数学计算式，开发了大尺寸人造板力学性能无损检测装置[69]，实现了正交各向异性的足尺人造板长度和宽度方向的弹性模量以及面内剪切模量这3个弹性常数的同步无损检测[70]。另外，足尺人造板用作结构材使用，国标GB/T 31264—2014[12]和美国标准ANSI/APA PRG 320-2018 [71]中都规定了面外剪切模量是必须测量的力学性能指标之一。因此，亟需继续深入研究，才可以实现结构用足尺人造板包含面外剪切模量的多弹性常数、强度常数和动态黏弹性的同步快捷无损检测。
图 2 四节点支承
Figure 2. Four-node support
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随着经济的高速发展和人民生活水平的提高，我国人造板总产量逐年增加，已经成为人造板生产和消费大国。但是一直以来我国生产的人造板广泛应用于家具和装修等非结构材领域，附加值低，在世界上的竞争并不占优势，而像CLT和SCL等广泛用于木结构建筑领域的结构用人造板还需要大量进口。木结构建筑属于绿色建筑，符合当今社会低碳和环保的需求和倡导，因此今后我国结构用人造板的需求量将大幅增加。而对于结构用人造板，弹性常数、强度常数和动态黏弹性的大小决定了其在木结构建筑使用中的可靠性、使用寿命和经济性。同时，国内外足尺人造板力学性能无损检测研究进展表明：基于振动检测原理有望实现足尺人造板多弹性常数、强度常数和动态黏弹性的同步无损检测。因此，基于振动检测理论建立一种面向结构用足尺人造板整板力学性能的快速无损检测和评估的方法，是开展足尺人造板力学性能无损检测研究很有前景的方向之一。该研究成果可以用于结构用人造板实验室环境下的快捷抽检，以及生产线上的力学性能普检和分等，将在结构用人造板行业有着广泛的应用前景。
Literature review of mechanical properties of full-size wood composite panels using nondestructive testing technique
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摘要: 弹性常数（弹性模量和剪切模量）、强度常数与动态黏弹性是表征足尺人造板力学性能非常重要的3项指标，而弹性常数与强度常数间关系密切，因此，无损检测足尺人造板的弹性常数和动态黏弹性是其力学性能无损检测研究的焦点。本文首先对人造板力学性能及其检测方法进行了概述和归纳，然后对国内外人造板弹性常数和动态黏弹性振动检测研究现状作了汇总与分析，同时指出了足尺人造板力学性能振动检测已有研究存在的不足，并介绍了笔者所在课题组针对面向力学性能评估的足尺人造板振动检测研究的开展情况。足尺人造板力学性能无损检测下一步科研的目标是建立一种基于振动检测理论的面向结构用足尺人造板整板力学性能的快速、无损检测和评估的技术和方法。其研究成果可以为将来实现结构用足尺人造板实验室环境下的快捷抽检及生产线上的力学性能普检和分等奠定理论基础。Abstract: Elastic constants (modulus of elasticity and shear modulus), strength constants and dynamic viscoelasticity are three critical indicators for evaluating the mechanical performance of full-size wood composite panels (WCPs). There is, especially for full-size WCPs, a significant relationship between elastic constants and strength constants. Therefore, many researches on nondestructive testing (NDT) of mechanical properties of full-size WCPs have focused on nondestructively determining their elastic constants and dynamic viscoelasticity. This paper summarizes the mechanical properties and corresponding testing methods of WCPs, and reviews the research on the estimation of elastic constants and dynamic viscoelasticity of WCPs. Furthermore, this paper points out the existing shortcomings of the previous studies and introduces the research progress of our research team on estimating the mechanical properties of full-size WCPs using vibration methods. Thus, the future research goal of NDT for the mechanical properties of full-size WCPs is to develop a rapid and nondestructive technique based on vibration detection theory for directly assessing the mechanical properties of the structural full-size WCPs. Results of these research are to lay a theoretical foundation for achieving fast sampling of structural full-size WCPs in the laboratory and general examination and grading of mechanical properties on the production line in the future.
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图 1 已有研究采用的足尺人造板支承方式
Figure 1. Supporting ways of full-size wood composite panels studied
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