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单板层积材的三维光学检测及其托盘的有限元仿真分析

储德淼 母军 康柳 赖宗元

储德淼, 母军, 康柳, 赖宗元. 单板层积材的三维光学检测及其托盘的有限元仿真分析[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 147-155. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
引用本文: 储德淼, 母军, 康柳, 赖宗元. 单板层积材的三维光学检测及其托盘的有限元仿真分析[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 147-155. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
Chu Demiao, Mu Jun, Kang Liu, Lai Zongyuan. Three-dimensional optical deformation measurement of laminated veneer lumber and the finite element simulation analysis of the pallets[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 147-155. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
Citation: Chu Demiao, Mu Jun, Kang Liu, Lai Zongyuan. Three-dimensional optical deformation measurement of laminated veneer lumber and the finite element simulation analysis of the pallets[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 147-155. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056

单板层积材的三维光学检测及其托盘的有限元仿真分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
基金项目: 北京林业大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(2017ZY28),国家林业公益性行业科研专项“低质人工林木材家具制造关键技术研究与示范”(201404502)
详细信息
    作者简介:

    储德淼,博士生。主要研究方向:木材热加工。Email:13chudemiao@sina.cn 地址:100083 北京市清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者:

    母军,博士,教授。主要研究方向:木质生物质材料利用。Email:mujun222@sina.com 地址:同上

  • 中图分类号: TB34

Three-dimensional optical deformation measurement of laminated veneer lumber and the finite element simulation analysis of the pallets

  • 摘要: 目的单板层积材应用广泛,但其性能测试多采用破坏性实验方法,存在检测效率低且会造成资源浪费的不足。本研究对一种新型层积板材及其制得的托盘进行无损检测,旨在为木质层积材及制品性能的高效、精确检测提供理论参考和技术支撑。方法将三维光学检测法与有限元仿真分析相结合,首先采用数字散斑法测量并计算获得新型层积板材的弹性常数(包括弹性模量,泊松比,剪切模量);然后导入有限元仿真分析中,分别选取layer单元和solid 185单元对板材模型进行网格划分和静力模拟,优化其仿真模拟参数;参照国际标准ISO 8611—2011 对新型层积板材托盘性能进行检测,利用Solidworks建立及装配托盘模型,在ANSYS workbench软件中对托盘整体结构进行整体抗压、底板抗压、面板抗压和角跌落等仿真模拟,并与实验测试结果进行对比分析。结果三维光学法获得的弹性参数可以应用于新型层积板材及其制品的有限元仿真分析中,ANSYS有限元仿真结果可靠;将新型层积材作为整体结构,选用solid 185单元的仿真模拟结果与实际测试情况最为接近;新型层积材托盘静力仿真分析中托盘的最大变形与实验结果相近,4种工况仿真分析结果与实测结果相同。结论三维光学检测法结合有限元仿真分析可以对木质层积材及其制品的受力、变形和破坏情况进行无损检测,可达到高效和节能的目的。
  • 图  1  NLVL的结构示意图、NLVL模型坐标系和托盘有限元模型

    Figure  1.  Schematic diagram of the NLVL, coordinate of model and finite element model of the pallet

    图  2  三维光学变形和应变测量分析系统示意图以及拉伸装置

    Figure  2.  Three-dimensional optical deformation and strain measurement analysis system and stretching device

    图  3  试件时间–变形曲线和变形云图

    Figure  3.  Time-deformation curve and deformation contour of samples

    图  4  同一时刻y-zy-xz-x平面上横向与纵向变形的线性拟合结果

    Figure  4.  Lateral and longitudinal strain on the y-z plane, y-x plane, and z-x at the same time

    图  5  NLVL solid185单元整体划分仿真模拟变形和应力云图

    Figure  5.  Deformation contour and stress contour of the NLVL at simulation condition of solid 185

    图  6  托盘整体抗压、底板抗压有限元模拟以及变形和应力云图

    Figure  6.  Finite element simulation of overall compression, bottom deckboard compression, and deformation and stress contour

    图  7  托盘面板抗压、角跌落有限元模拟以及变形和应力云图

    Figure  7.  Finite element simulation of top deckborad compression, corner drop test, and deformation and stress contour

    表  1  新型单板层积材所制木质托盘的参数

    Table  1.   Parameters of the NLVL-made pallet

    名称 Name 数量 Number 尺寸 Dimension
    面板 Top deckboard 7 1 200 mm × 90 mm × 13 mm
    纵板 Stringer board 3 1 000 mm × 90 mm × 13 mm
    底板 Bottom deckboard 3 1 200 mm × 90 mm × 13 mm
    垫块 Block 9 90 mm × 90 mm × 87 mm
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    表  2  新型层积材NLVL和杨木材料的弹性常数

    Table  2.   Elastic constants of the NLVL and poplar wood

    试样 Sample  泊松比 Poisson’s ratio 弹性模量 Elastic modulus/Pa 剪切模量 Shear modulus/Pa
    y-x z-x y-z x y z y-x z-x y-z
    NLVL 0.305 0.331 0.315 1.23e10 7.97e9 5.44e9 2.95e9 3.41e9 4.68e9
    杨木 Poplar 0.660 0.660 0.400 5.35e9 1.04e9 1.21e9 4.66e8 6.2e8 9.4e7
    注:NLVL的z-x平面的泊松比数据引自文献[18]。杨木的弹性常数数据引自文献[19]。Notes: Poisson’s ratio of the NLVL on z-x plane was cited from reference [18]. Elastic modulus of the poplar was cited from reference [19].
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    表  3  NLVL板材在最大破坏应力(1 056 N)时的变形量

    Table  3.   Deformations of NLVL at maximum damage stress of 1 056 N

    测试条件 Test condition   变形量 Deformation/mm
    静力测试 Static experiment 8.90
    Solid 185单元模型 Solid 185 unit 7.69
    Layer 46单元模型 Layer 46 unit 32.16
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    表  4  NLNL托盘的整体抗压、底板抗压、面板抗压实验测试结果

    Table  4.   Experimental results of compression test of NLVL-made pallet

    抗压测试
    Compression testing
    载荷
    Load
    条件
    Condition
    变形量 Deformation/mm
    阶段1
    Stage 1
    阶段1
    Stage 1
    力卸载30分钟后
    30 min after unload
    整体 Overall 3P ISO标准 ISO standard < 4 < 4 < 3
    实验结果 Experimental result 3.27 3.40 1.10
    底板 Bottom deckboard 2P ISO标准 ISO standard < 30 < 30 < 6
    实验结果 Experimental result 27.42 26.66 1.05
    面板 Top deckboard 2P ISO标准 ISO standard < 30 < 30 < 6
    实验结果 Experimental result 29.65 28.30 1.40
    注:ISO标准为ISO 8611—2011标准; P为托盘的设计载荷,1 100 kg。Notes: ISO means ISO 8611-2011 standard; P means the design load of pallet, 1 100 kg.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-22
  • 修回日期:  2019-05-16
  • 网络出版日期:  2019-07-01
  • 刊出日期:  2019-09-01

单板层积材的三维光学检测及其托盘的有限元仿真分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
    基金项目:  北京林业大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(2017ZY28),国家林业公益性行业科研专项“低质人工林木材家具制造关键技术研究与示范”(201404502)
    作者简介:

    储德淼,博士生。主要研究方向:木材热加工。Email:13chudemiao@sina.cn 地址:100083 北京市清华东路35号北京林业大学材料科学与技术学院

    通讯作者: 母军,博士,教授。主要研究方向:木质生物质材料利用。Email:mujun222@sina.com 地址:同上
  • 中图分类号: TB34

摘要: 目的单板层积材应用广泛,但其性能测试多采用破坏性实验方法,存在检测效率低且会造成资源浪费的不足。本研究对一种新型层积板材及其制得的托盘进行无损检测,旨在为木质层积材及制品性能的高效、精确检测提供理论参考和技术支撑。方法将三维光学检测法与有限元仿真分析相结合,首先采用数字散斑法测量并计算获得新型层积板材的弹性常数(包括弹性模量,泊松比,剪切模量);然后导入有限元仿真分析中,分别选取layer单元和solid 185单元对板材模型进行网格划分和静力模拟,优化其仿真模拟参数;参照国际标准ISO 8611—2011 对新型层积板材托盘性能进行检测,利用Solidworks建立及装配托盘模型,在ANSYS workbench软件中对托盘整体结构进行整体抗压、底板抗压、面板抗压和角跌落等仿真模拟,并与实验测试结果进行对比分析。结果三维光学法获得的弹性参数可以应用于新型层积板材及其制品的有限元仿真分析中,ANSYS有限元仿真结果可靠;将新型层积材作为整体结构,选用solid 185单元的仿真模拟结果与实际测试情况最为接近;新型层积材托盘静力仿真分析中托盘的最大变形与实验结果相近,4种工况仿真分析结果与实测结果相同。结论三维光学检测法结合有限元仿真分析可以对木质层积材及其制品的受力、变形和破坏情况进行无损检测,可达到高效和节能的目的。

English Abstract

储德淼, 母军, 康柳, 赖宗元. 单板层积材的三维光学检测及其托盘的有限元仿真分析[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 147-155. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
引用本文: 储德淼, 母军, 康柳, 赖宗元. 单板层积材的三维光学检测及其托盘的有限元仿真分析[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(9): 147-155. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
Chu Demiao, Mu Jun, Kang Liu, Lai Zongyuan. Three-dimensional optical deformation measurement of laminated veneer lumber and the finite element simulation analysis of the pallets[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 147-155. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
Citation: Chu Demiao, Mu Jun, Kang Liu, Lai Zongyuan. Three-dimensional optical deformation measurement of laminated veneer lumber and the finite element simulation analysis of the pallets[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(9): 147-155. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190056
  • 单板层积材(LVL)是由旋切单板进行组坯、胶合而成的一种工程木,其结构和尺寸较稳定,已在建筑构件、窗框和家具等领域广泛应用[1-2]。LVL作为一种重要的木质工程材料发展迅速,尤其在木结构住宅占比高达90%的北美地区[3]。木材和木材复合材料的弹性常数检测方法包括电测法、振动检测法、应力波测试法、超声波测试法和FFT分析法等[4]。其中,数字图像相关技术(Digital image correlation,DIC)将当代电子、计算机技术和图像处理技术相互结合起来,以高精度、非接触的方式来测量全场形貌、变形,通过物体表面随机分布的斑点中直接获取材料变形信息[5]。DIC测量技术可对受力或外载荷等作用下的材料或结构表面,进行全场位移和应变分析的测量,具有结果直观、测量方便[6-8]。有限元仿真是一种重要工程分析手段,可以为木质结构的优化设计提供依据[9-10]。Meng等[11]研究了层积复合材料弯曲破坏时纤维堆叠的情况,Wang等[12]研究了材料自由边缘层间剪切应力,Tang等[13]对边界层理论的仿真测试进行了验证分析。有限元分析还可以模拟结构件的跌落或运输等工况下应力和应变情况[14-15],模拟结果的准确性取决于仿真中材料的弹性常数,包括弹性模量E、剪切弹性模量G、泊松比μ等参数的设定[16]

    目前企业和工厂多采用木板批量检验机对LVL进行抽样检测,不仅测试效率低还会损坏板条。为实现单板层积材及其木质构件的无损检测,本研究针对一种新型单板层积材以及其制得的木质托盘,基于前期对层积材的弹性模量和强度相关关系的初步研究[17],采用三维光学变形和应变测量分析系统进一步测试NLVL的弹性常数,结合有限元分析对木质托盘仿真模型分别进行整体抗压实验、底板抗压实验、面板抗压实验和角跌落模拟分析,将仿真结果与实际实验测试结果进行对比分析,为木质人造板及其制品的无损检测研究提供参考。

    • 新型单板层积材(NLVL)以及其制作的木托盘均选自苏州某木质材料公司。NLVL的平均密度为540 kg/m3,平均含水率为15.7%,其为9层杨木(Populus beijingensis)单板层积结构,其中第4、6层与其他单板排列方向垂直,如图1a所示,斜纹阴影表示单板的横截面。托盘尺寸为1 200 mm × 1 000 mm × 135 mm,质量为14.5 kg,设计载荷为1 100 kg,参数见表1

      图  1  NLVL的结构示意图、NLVL模型坐标系和托盘有限元模型

      Figure 1.  Schematic diagram of the NLVL, coordinate of model and finite element model of the pallet

      表 1  新型单板层积材所制木质托盘的参数

      Table 1.  Parameters of the NLVL-made pallet

      名称 Name 数量 Number 尺寸 Dimension
      面板 Top deckboard 7 1 200 mm × 90 mm × 13 mm
      纵板 Stringer board 3 1 000 mm × 90 mm × 13 mm
      底板 Bottom deckboard 3 1 200 mm × 90 mm × 13 mm
      垫块 Block 9 90 mm × 90 mm × 87 mm
    • 根据GB/T 17657—2013《人造板及饰面人造板理化性能实验方法》制作检测试样,采用黑色油漆喷涂形成散斑图案,采用德国GOM公司的三维光学变形和应变测量分析系统联合力学实验机对试样进行拉伸测试,获得应力–应变信息。三维光学变形和应变测量分析系统如图2a所示,其包括两个CCD相机测量头,两组光源,一个定位板;拉伸装置(图2b)选用MMW-50微机万能力学实验机(济南耐而实验机有限公司)。

      图  2  三维光学变形和应变测量分析系统示意图以及拉伸装置

      Figure 2.  Three-dimensional optical deformation and strain measurement analysis system and stretching device

      三维光学变形和应变测量分析系统可以实时记录试件在y-xy-zz-x平面上各个散斑的纵向和横向的应变数值,因此可通过线性拟合获得泊松比μ。NLVL在z轴方向的弹性模量(Modulus of elasticity,MOE)和静曲强度(Modulus of rupture,MOR)参照前期研究[17],即MOR =(56.43 ± 5.12)MPa,MOE =(5 439.2 ± 956.78)MPa,即剪切模量G(单位为MPa)为:

      $$ G = \dfrac{E}{{2\left( {1 + \mu } \right)}} $$ (1)

      式中:μ为泊松比;E为弹性模量,单位为MPa。

    • 托盘性能测试参考ISO 8611—2011《普通货物运输用平托盘测试标准》。测试温度为15 ~ 25 ℃,空气相对湿度为50% ~ 65%。抗压实验机型号为PN-CT50KE-PC,跌落实验机型号为BG/DT-315。

    • 分别选择solid 185单元与layer 46单元两种单元类型,利用solidworks软件建立、装配托盘模型的各部件,模型尺寸参考表1,材料弹性常数参照1.2测试和计算结果,性能仿真分析在ANSYS workbench软件中进行。

    • 在拉伸测试过程中,NLVL中第4、6层单板为横纹受拉,其他层单板均为顺纹受拉,三维光学变形和应变测量分析系统得到的试件竖直方向上的变形云图如图3所示。试件在拉伸初始阶段还未受到外界拉力,其变形云图在y-zy-x平面均显示为蓝色,表示变形量为0(图3a),随着拉力的增加,试件变形云图颜色逐渐由蓝色变为红色,说明在此过程中试件的变形量由0增加至最大值(0.30%)。其中,拉伸过程中同一时刻的变形云图颜色显示,试件在y-z平面上的变形量均大于试件在y-x平面上的变形量(图3b3c3d),说明y-z平面的形变在NLVL板材拉伸破坏过程中起主要作用。

      图  3  试件时间–变形曲线和变形云图

      Figure 3.  Time-deformation curve and deformation contour of samples

      图3b中试件y-z平面变形云图可知,Stage point 3对应的位置为NLVL的中间层,该层单板为顺纹受拉,因此形变较小,呈浅蓝色(形变约0.09%);而第4、6层单板为横纹受拉,形变较大,呈绿色(形变约0.15%)。与此相同,图3c3dy-z平面变形云图与NLVL层积结构的一致性更为明显,较大形变均发生于第4、6层单板对应位置。Stage point 2 对应位置的形变也大于Stage point 3,这是由于测试过程中试件切角过度部位存在应力集中。对于y-x平面,由于黑色油漆直接喷涂于试件的表面单板而形成散斑图案,因此该平面上表层单板的理论形变值应基本一致。但由图3b3c3d可知:Stage point 0 和Stage point 1均位于试件y-x平面的中轴线上,其两侧形变呈现明显不同。该现象可以解释为:在NLVL试件厚度方向上,由于应力集中于抗拉强度较低的第4、6层单板(横纹),在该位置形成较大形变。试件厚度方向的形变会进一步导致试件y-x平面上的散斑在z轴方向产生位移,试件y-x平面形变云图(图3b3c3d)显示的不仅是散斑在y-x平面上的形变,还包括在z轴方向上形变。因此,NLVL板材的特殊层积结构导致其三维光学形变测试中,在y-xz-x平面形变的测试均存在一定误差。

      根据泊松比定义,对试件各个面上散斑对应的横向和纵向的应变数据线性拟合,由图4线性相关性分析可得到NLVL各平面的泊松比,结合微机万能力学实验机记录的应力数值,根据公式(1)计算剪切模量,NLVL的弹性参数如表2所示。

      表 2  新型层积材NLVL和杨木材料的弹性常数

      Table 2.  Elastic constants of the NLVL and poplar wood

      试样 Sample  泊松比 Poisson’s ratio 弹性模量 Elastic modulus/Pa 剪切模量 Shear modulus/Pa
      y-x z-x y-z x y z y-x z-x y-z
      NLVL 0.305 0.331 0.315 1.23e10 7.97e9 5.44e9 2.95e9 3.41e9 4.68e9
      杨木 Poplar 0.660 0.660 0.400 5.35e9 1.04e9 1.21e9 4.66e8 6.2e8 9.4e7
      注:NLVL的z-x平面的泊松比数据引自文献[18]。杨木的弹性常数数据引自文献[19]。Notes: Poisson’s ratio of the NLVL on z-x plane was cited from reference [18]. Elastic modulus of the poplar was cited from reference [19].

      图  4  同一时刻y-zy-xz-x平面上横向与纵向变形的线性拟合结果

      Figure 4.  Lateral and longitudinal strain on the y-z plane, y-x plane, and z-x at the same time

      根据值域等级判断,相关系数于0.8 ~ 1.0之间极强相关,0.6 ~ 0.8之间强相关,0.4 ~ 0.6为中等程度相关。对同一时刻y-zy-xz-x平面上横向与纵向变形的线性拟合结果(图4)可知,试件在y-z平面上横向和纵向的应变在0.001水平上相关系数为0.97,具有极强的相关性,因此泊松比取值为0.315。同理,在y-xz-x平面上的横向和纵向应变在0.001水平上相关系数约为0.66,因此两者具有强相关性。但由于托盘受力中托盘的破坏主要由板材y-z平面变形所致,y-x平面形变虽然测试存在一定误差,但泊松比计算结果介于人造板泊松比范围(一般在0 ~ 0.5之间)。而z-x泊松比计算结果约为0.8(图4c),说明y-x平面形变测试误差对其弹性常数的计算影响较大,因此本研究对NLVL板材在z-x平面的泊松比进行修正,根据文献中的参数优化选取为0.331[18]

    • 单板层积材料作为建筑结构件的情况下,斜纹承压强度是一个重要力学性能指标[20],但在木质托盘在运输过程层积材主要承受竖直方向的压力[21]。根据前期研究,在有限元静力仿真分析中模型受力值选择最大破坏应力1 056 N[17],将NLVL设置为整体单元,选用solid 185单元模型,导入NLVL的弹性参数;将NLVL视为层单元,layer 46单元模型,导入杨木单板的弹性参数。静力测试和仿真模拟的变形结果如表3所示。

      表 3  NLVL板材在最大破坏应力(1 056 N)时的变形量

      Table 3.  Deformations of NLVL at maximum damage stress of 1 056 N

      测试条件 Test condition   变形量 Deformation/mm
      静力测试 Static experiment 8.90
      Solid 185单元模型 Solid 185 unit 7.69
      Layer 46单元模型 Layer 46 unit 32.16

      静力实验以及有限元仿真分析中,NLVL板材的变形量如表3,在NLVL受力1 056 N时静力弯曲测试变形量为8.90 mm。将模型设定为layer单元时,板材的变形为32.16 mm,与静力实验得到的变形量8.9 mm相差很大。而采用solid 185单元分析得到的最大变形为7.69 mm,说明将新型单板层积材作为整体结构处理结果更接近于实际实验结果。

      图5为选用solid 185单元时得到的变形图和应力云图。从图5可以看出:仿真模型的最大变形位置发生在受力位置,最大应力为2.99 MPa,与实际实验中最易发生破坏的位置相近。但是,NLVL的许用应力数量级在108 ~ 109,说明NLVL虽然产生了一定的变形但是并未发生破坏。而在实际实验中,板材在受到1 056 N时即产生破坏。这是由于在实际的实验中,NLVL产生破坏的因素除了主要的拉力作用外,还有不均匀性等因素。而在仿真静力模拟中仅考虑力的作用,所以在变形与实验变形接近时并未产生破坏。因此,在有限元静力分析模拟分析中,仿真得到的变形结果与实际实验结果更为接近,在判断板材是否破坏时,仿真变形结果具有更大的参考价值。

      图  5  NLVL solid185单元整体划分仿真模拟变形和应力云图

      Figure 5.  Deformation contour and stress contour of the NLVL at simulation condition of solid 185

    • 该新型单板层积材为原料制得的托盘整体抗压、底板抗压以及面板抗压测试结果如表4所示,测试结果符合ISO 8611—2011《普通货物运输用平托盘测试标准》。在对NLVL托盘的有限元模拟中,选择整体结构单元Solid 185,进行两次施压仿真模拟,模拟结果为静态分析输出的包括静载荷下的应力云图、变形云图,可将得到的变形量与实验测试中的最大变形进行比较。根据云图中颜色显示,红色部分代表变形、应力和应变较大,易产生破坏的位置。

      表 4  NLNL托盘的整体抗压、底板抗压、面板抗压实验测试结果

      Table 4.  Experimental results of compression test of NLVL-made pallet

      抗压测试
      Compression testing
      载荷
      Load
      条件
      Condition
      变形量 Deformation/mm
      阶段1
      Stage 1
      阶段1
      Stage 1
      力卸载30分钟后
      30 min after unload
      整体 Overall 3P ISO标准 ISO standard < 4 < 4 < 3
      实验结果 Experimental result 3.27 3.40 1.10
      底板 Bottom deckboard 2P ISO标准 ISO standard < 30 < 30 < 6
      实验结果 Experimental result 27.42 26.66 1.05
      面板 Top deckboard 2P ISO标准 ISO standard < 30 < 30 < 6
      实验结果 Experimental result 29.65 28.30 1.40
      注:ISO标准为ISO 8611—2011标准; P为托盘的设计载荷,1 100 kg。Notes: ISO means ISO 8611-2011 standard; P means the design load of pallet, 1 100 kg.

      图6分别为托盘模型整体抗压和托盘底板抗压实验有限元模拟工况、变形云图和应力云图。在托盘整体抗压模拟中,载荷施加位置为面板顶部,直接向下施加3倍托盘设计载荷,即压力为32 340 N(图6a1)。在仿真过程中托盘模型的最大变形为3.41 mm(图6b1),托盘产生的最大应力为1.41e7 Pa,且主要出现在铺板位置(图6c1)。在托盘底板抗压模拟中,为了使仿真模拟模型与实验施压工况更为接近,在托盘底板上添加了两横梁作为压力的施加位置(图6a2)。仿真过程中托盘模型的最大变形为23.83 mm(图6b2),最大应力为1.62e8 Pa(图6c2)。

      图  6  托盘整体抗压、底板抗压有限元模拟以及变形和应力云图

      Figure 6.  Finite element simulation of overall compression, bottom deckboard compression, and deformation and stress contour

      因此,托盘整体抗压模拟仿真结果与实验测试结果误差小于1%,满载时托盘在竖直方向的变形均未超过ISO标准要求,在底板抗压模拟过程中托盘会产生应力并有相应的变形,但是托盘产生的最大应力明显小于材料的许用应力,最终模拟过程中产生的变形不足以对托盘造成破坏性的影响,这与实验结果一致。说明仿真模拟在托盘整体抗压和底面抗压实验中具有参考性。

      图7分别为托盘面板抗压和角跌落有限元模拟工况、变形云图及应力云图。在托盘底板抗压模拟中,为了使仿真模拟模型与实验施压工况最为接近,在托盘顶板上添加两横梁作为压力的施加位置,底板边缘添加两梁作为支撑(图7a1),托盘最大变形为23.96 mm(图7b1),稍小于实验结果;托盘产生的最大应力为73.1 MPa(图7c1)。在满载时,不论是实验测试还是仿真模拟,托盘竖直方向的变形量都没有超过标准要求的托盘总长度的2.5%。

      图  7  托盘面板抗压、角跌落有限元模拟以及变形和应力云图

      Figure 7.  Finite element simulation of top deckborad compression, corner drop test, and deformation and stress contour

      对于托盘角跌落模拟,由于角跌落过程中托盘整体产生变形,不能通过叠加的方式得到托盘在对角线方向的整体变形量。因此,为了更好地与托盘角跌落实验结果进行比较,在进行仿真分析时在托盘的对角线部分添加一条路径,且将路径方向上的3个垫块看作3个整体,最终可以得到路径上各部分的变形量(图7a2),根据云图颜色显示判断每部分的变形情况,可以得到模拟中托盘对角线方向的整体变形为48.60 mm,占对角线长度的3.1%(图7b2)。角跌落实验测量结果为45 mm,与仿真模拟结果仅相差8%,但不论是实验测试还是仿真模拟,托盘对角线方向的变形量都没有超过标准要求的托盘对角线长度的3.5%。仿真过程中托盘产生的最大应力为2.77 MPa(图7c2),说明在角跌落模拟过程中托盘会产生变形并有相应的应力,但是托盘产生的最大应力明显小于材料的许用应力,最终模拟过程中产生的变形在标准允许范围内。在应力角度分析,与实验结果也是一致的。

      因此,实验测试与有限元仿真中,托盘面板抗压和角跌落的结果均达到ISO标准的要求,说明有限元仿真模拟在托盘面板抗压和角跌落分析中具有参考性。

    • (1)由三维光学变形和应变测量方法可以获得单板层积材的弹性常数,将其作为整体结构的模拟结果与实验测试更为接近,即将其设定为solid 185单元。

      (2)三维光学检测获得的参数可以应用于托盘的有限元仿真分析中,托盘的整体抗压、底板抗压、面板抗压模拟以及角跌落模拟得到的对角线路径上的变形结果与实验测试接近。托盘静力仿真与角跌落模拟过程中产生的最大应力均小于材料的许用应力,分析结果在应力角度也与实验结果一致。

      (3)结合光学检测法和有限元仿真分析可以对层积板及其托盘进行无损检测,该研究为木质材料及其制品的性能检测提供了一种节能高效的方法。

参考文献 (21)

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