尺寸效应对板材力学性能的影响研究文献综述

摘要：本文研究尺寸效应对板材力学性能的影响，通过小尺寸试件来预测足尺度试件的力学性能的研究。我们通过对工程应用中的足尺构件，按照特定比例进行缩小，分析不同比例缩小后小尺度试件的力学性能变化规律，研究通过小尺度试件预测足尺试件力学性能的可能性和可靠性。并且通过实验数据和理论支撑，来探讨尺寸效应对板材力学性能影响的规律，从而了解不同板材尺寸力学性能中抗弯强度、弹性模量、横纹抗拉强度和冲击韧性的变化。

关键词：尺寸效应 抗弯强度 弹性模量 横纹抗拉强度 冲击韧性

关于尺寸效应的研究国内已作出相关研究。华北水利水电大学土木与交通学院的管俊峰、胡晓智、李庆斌、吴智敏研究的“边界效应与尺寸效应模型的本质区别及相关设计应用” ，通过了解边界效应模型（BEM）和尺寸效应模型（SEM）的本质区别与相应设计应用，阐述了边界效应的物理背景，分析了尺寸效应产生的本质机理。得出实验结论尺寸效应仅为边界效应的特例。SEM要求试件严格满足几何相似。而BEM对任意几何形状都可适用（几何相似与非几何相似试件）。对于裂缝非常长和尺寸非常大的结构，已满足线弹性断裂条件，因此无须应用尺寸效应模型和理论。尺寸效应的研究仅仅适用于裂缝尖端靠近前边界或者后边界的情况。山东大学王炳雷研究的“微结构尺寸效应研究及其应用”的课题，本文的研究工作以微梁和微板结构为研究对象 , 基于应变梯度弹性理论建立了梁和、板的尺寸效应模型 , 然后将这些模型应用在静电激励微结构中,研究了以梁和板为基本结构的吸合特性的尺寸效应。在该模型中，引入了材料的三个内禀特 征长度参数，可以预测微梁力学性能的尺寸效应；同时，考虑中面伸长和残余应 力的影响，可以预测中面伸长以及残余应力对微梁尺寸效应的影响其力电祸合性能的变化规律进行了深入分析。中南大学机械工程系朱充发表的“基于相似理论的狭义尺寸效应量化研究”表明当研究对象受到狭义尺寸效应影响，且研究对象的尺寸在一定尺寸范围内变化时，尺寸效应不会影响研究对象的本质，不同尺寸下的对象间仍存在相似性，可以运用相似理论分析尺寸效应程度。西北工业大学戴高明研究的“周期性多孔材料的尺寸效应研究”主要研究多孔材料研究领域内备受关注的尺寸效应问题进行了探索；分别引入了反映结构弹性模量和剪切模量特性的弯曲模型和扭转模型，同时基于应变能等效原理提出了弯曲能量法和扭转能量法，成功揭示了多孔材料等效弹性模量和剪切模量以及静力学、动力学特征的尺寸效应。大连理工大学土木系胡蓓雷、赵国藩、宋玉普研究的“混凝土损伤与试件尺寸效应”主要分析运用概率方法确定了混凝 土材料的初始损伤门槛值 XD的前提下采用已有内时损伤本构模型 ,利用有限元方法对单边切口混凝土梁在三点弯曲荷载和四点剪切荷载作用下的力学行为进行了分析 ,计算了所有试件的极限荷载 P max ,运用计算结果对混凝土断裂力学参数的尺寸效应规律进行了分析 ,并与已有试验结果进行了比较 ,其结果表明本文的数值分析与试验结果以及其它方法的分析结果吻合较好。

板材的抗弯性指材料抵抗弯曲不断裂的能力，目前对这一特性的研究更为深入，具体表现为多层板与电子零件相结合的研究。中国林业科学研究院木材工业研究所研究的课题“结构用规格材抗弯强度的尺寸效应”。等级规格材为例，根据美国材料试验协会标准ASTMD4761 05对试样进行抗弯强度测试，研究兴安落叶松规格材抗弯强度在长宽比为18：1时的长宽比尺寸效应因数．结果表明：兴安落叶松规格材抗弯强度的长宽比尺寸效应因数存在等级间差异；工c等级的长宽比尺寸效应因数为o．43，Ⅲ。等级的长宽比尺寸效应因数与强度百分位数之间存在线性关系。中国林业科学研究院木材工业研究所研究的课题“木结构用杉木规格材抗弯强度的长度尺寸效应”，研究表明选取206根人工林杉木规格材，按照动态弹性模量配成3个测试组，研究了规格材测试跨度与其抗弯强度之间的依存性，并利用斜率法和形状参数法求得抗弯强度5％分位值和50％分位值的长度尺寸效应。

板材的弹性模量一般地讲，对弹性体施加一个外界作用，弹性体会发生形状的改变（称为“应变”），“弹性模量”的一般定义是：应力除以应变。作为现代家居不可缺少的组成部分，沙发自出现就一直在不断地做出改变，并且融入我们的生活中成为不可替代的一部分，多层板的使用不仅可以让我们节约制作沙发结构木材的成本，还能具有不错的抗弯强度和刚度，角部结合性能的研究是重要的组成部分，强度和模拟抗弯刚度是衡量角部结合性能，高低的两个重要指标，沙发框架角部结合的强度值和模拟抗弯强度值随着其角部接合的方式、接合形式、圆桦 、胶结合、各种五金连接件等、基材本身的物理性能、静曲强度、内结合强度等因素的不同而改变的多层板的弹性模量。沙发框架整体疲劳强度测试实验中, 用三种材料实木、多层板、定向刨花板所做的结构框架,其强度基本都能满足现阶段沙发生产的要求。

横纹抗拉强度是指沿试样横纹方向，以均匀速度施加拉力至破坏，求出木材的横纹抗拉强度。本次实验对尺寸150*30*20,，100*20*13和67*13*9三个不同尺寸进行横纹抗拉强度试验，沿着试样横纹方向，以均匀速度进行施加压力至破坏，并以此推论出足尺度试件的力学性能，抗拉强度测试在Metriguard Model 401足尺抗拉试验机上进行，将最大缺陷在放置测试跨度内，试件破坏后，在接近破坏的位置取试样片，分别按照GB／T 1930--1991lt;lt;木材年轮宽度和晚材率测定方法》、GB／T 1931—199l《木材含水率测定方法》、GB／T 1933—1991lt;(木材密度测定方法》测量年轮宽、含水率和气干密度。

冲击韧性是指材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，反映材料内部的细微缺陷和抗冲击性能。工程上常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定材料抵抗冲击载荷的能力，即测定冲击载荷试样被折断而消耗的冲击功Ak，单位为焦耳（J）。于在试样中央施加冲击载荷，使试样产生弯曲破坏，一确定木材的冲击韧性。冲击韧性只做弦向试样，在试样中心部位，分别测量高度、宽度，精确至0.01mm。

综上所述，根据小尺度的试件来预测足尺度试件的可能性与可靠性可以使我们深入了解板材力学性能在抗弯强度、弹性模量、横纹抗拉强度和冲击韧性中的发展规律。本次选题着重研究尺寸效应对板材力学性能的影响，并着重研究其抗弯强度、弹性模量、横纹抗拉强度、冲击韧性，从小尺度试件来预测足尺度试件力学性能的可靠性和可能性，缩小了课题研究范围选题新颖性，更具针对性和准确性。同时，论文中的数据和大量研究将来源于实验本身，将理论与实践相结合。