Механическая прочность древесины

Московский Государственный Университет им. Ломоносова М.В.На правах рукописи05.2.Q0600115-Тутурин Сергей ВикторовичМеханическая прочность древесиныСпециальность 01.02.04 - «Механика деформируемого твердого тела»Диссертацияна соискание ученой степенидоктора технических наукНаучный консультантдоктор технических наукШемякин Е.И.МОСКВА 2005СОДЕРЖАНИЕДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ1. Введение1.1.Древесина'каксложныйконструкционныйматериал?органического происхождения.1.2.Роль исследований древесины в развитии научной мысли, а19также основные этапы пополнения знаний о древесине.2. Общие сведения о древесине.2.1.

Древесинакаканизотропный30материалорганического30происхождения.2.1.1. Постановка вопроса.302.1.2. Микроструктура древесины.332.1.3. Особенности макроструктуры.372.2.Факторы, оказывающие существенное влияние на прочность42древесины.2.2.1. Влияние возраста дерева на прочность.422.2.2. Влияние объемного веса древесины.432.2.3. Влияние температуры и влажности.452.2.4.

Формулы пересчета к стандартной влажности и температуре.542.2.5. Основные пороки строения и их влияние на прочность.553. Современное состояние вопроса о прочности древесины."13.1 .Простейший случай напряженного состояния — чистый сдвиг."*3.2.Прочность древесины при растяжении.683.3.Прочность древесины при сжатии.'"3.4.Работа древесины при изгибе.9433.5.Кручение древесины.98З.б.Сложные виды напряженного состояния.993.7.Краткие выводы.1004.

Трещиностойкость древесины. Анализ прочности с позиций103механики разрушения.4.1.Прочностьдеревянногообразцаспозициймеханики103разрушения.4.2.Жесткие машины, и полный вид диаграммы «напряжение —ПОдеформация» для древесины при изгибе.4.3.Новый критерий разрушения древесины, основанный на анализе118исследования трешиностой кости.5. Синтетическая теория прочности1275.1.Необходимые утверждения теории упругости.1275.2.Упругая симметрия древесины.1315.3 .Технические постоянные.1375.4.Дифференциальные уравнения равновесия.1445.5.Синтетическая теория прочности.1485.5.1.

История вопроса.1485.5.2. Параметр Лоде-Надаи и выбор инвариантов синтетической151теории прочности.5.5.3. Дальнейшее развитие синтетической теории прочности.1566. Подготовка и проведение экспериментального исследования161механических свойств древесины.6.1 .Содержаниеметодикипроведения эксперимента, а также161основные известные подходы к испытаниям по определениюпрочности древесины.6.2.Постановка задачи.1664б.З.Проблемы, стоящие на пути к решению основной задачи.1676.4.Предварительные сведения для обеих серий эксперимента.1696.4.1.

Выбор породы древесины для проведения испытаний.1696.4.2. Выбордерева,методикаразделкистволанакряжи,170изготовление образцов.6.4.3. Об определении влажности образцов.1756.4.4. Сушка древесины.1776.4.5. Об изменении влажности сосны в зависимости от времени179года.6.4.6. Математическая обработка полученных результатов с целью181обоснования достоверности эксперимента.6.5.Первая серия испытаний.1836.5.1. Распиловка деревьев на брусья.1836.5.2. Выборка геометрических характеристик образцов.1856.5.3. Распиловка брусьев на образцы.1876.5.4. Дополнительные виды испытаний, проведенные параллельно193с испытаниями на сжатие, изгиб и растяжение.6.5.5. Проведение эксперимента.1946.5.6. Проведение испытаний на растяжение.197б.б.Вторая серия испытаний.1986.6.1.

Постановка задачи.1996.6.2. Выбор деревьев и распиловка на брусья.1996.6.3. Проведение эксперимента.2037. Результаты эксперимента.2057.1 .Работа деревянного образца при изгибе поперек волокон.2057.1.1. Типичная кривая работы образца206при изгибе поперекволокон.7.1.2. Определение прочности образца.2117.1.3. Зависимость прочности от объемного веса древесины.2137.1.4. Влияние масштабного фактора на прочность при изгибе.2137.1.5.

Краткие выводы.2207.1.6. Влияние касательного напряжения на прочность образца приизгибе.2217.1.7. Сопротивление сдвигу.2287.1.8. О скорости нагружения.2297.2. Работа деревянного образца при сжатии вдоль волокон.2317.2.1. Определение прочности.2317.2.2. Определение влияния масштабного фактора на прочность233древесины при сжатии.7.2.3. Обнаружение и исследование линий скольжения.7.2.4. Сопоставлениеповеденияобразцапри237жесткоми245традиционном режимах нагружения.7.3.Работа древесины при сжатии поперек волокон.2467.3.1. Сжатие в радиальном направлении.2507.3.2. Сжатие в тангенциальном направлении.2527.4.Работа древесины при изгибе вдоль волокон.2547.4.1. Изгиб в тангенциальном направлении.2547.4.2. Изгиб в радиальном направлении.2577.5.Механическая прочность древесины.2597.6.0пределение упругих постоянных.2637.6.1.

Общие сведения.2647.6.2. Определение главных упругих постоянных264ац, а22, и а3з, а также соответствующих модулейупругости.7.6.3. Применение положений синтетической теории прочности кдревесине.2766Заключение.Список литературы.Приложения. -2822857МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ1. Введение1.1.Древесина, как сложный конструкционный материалорганического происхождения.С бурным развитием научной мысли, с созданием множествановейших материалов как никогда раньше возникает серьезная проблемаопределения их физико-механических свойств исходя из ограниченногоколичества испытаний.

Каждый материал ведет себя обособленно отдругих, однако большинство из них можно объединить в группы посхожим признакам, применяя к каждой подобной группе известныеметоды исследований, основанные на расчетах и экспериментах.Для определения механических свойств необходима идеализациявещества, создание модели, в которой отбрасываются несущественныепризнаки. По общепринятой классификации твердых тел можно уверенновыделитьтриидеализированныхвеществапомеханическимхарактеристикам и реакциям на воздействие нагрузок:-упругое;-вязкое;-пластичное.Для иллюстрации приведем рис. 1.1, где показаны зависимости междунапряжениями и деформациями для каждого состояния. Так упругие телаКасательное напряжениеНапряжениеБНапряжениеВПределтекучестидеформацияРис.

1.1скорость сдвигаА - упругая деформация, Б - вязкая деформация,деформацияВ - пластическая деформация009при приложении нагрузок реагируют пропорциональной деформациейвплоть до разрушения, вязкие — пропорциональной касательным усилиямскорости сдвига, и пластичные - ростом деформаций без увеличениянагрузок.Реальные материалы редко полностью подчиняются какой-либо изпредставленных схем.Как правило, поведение материалов включает всебя сочетания нескольких видов деформаций.Большинство конструкционных материалов имеют линейный участокдиаграммы «напряжение - деформация» при малых нагрузках.

Последостижения нагрузками некоторого предельного значения - пределапропорциональности, диаграмма начинает искривляться, и приращениядеформацийперестаютсоответствоватьначинаетсяпластическоетечениеприращениям напряжений,материаласнеобратимымидеформациями.Применяя следующую классификацию твердых тел, можно выделитьдве большие группы. В первой группе механические свойства материаловодинаковы во всех направлениях в заданном объеме. К таким материаламможно отнести стекло, стали, некоторые сплавы и многие другие вещества,называемые изотропными. Во второй группе материал может иметьнесколькоразличноориентированныхмеханические свойства могут существенноплоскостей,различаться.покоторымЭто горныепороды, древесина, бетон, композиты, кристаллы и др.Объединяя вышесказанное естественно предположить, что есливещество сочетает в себе несколько видов деформаций, а изделие из этоговещества имеет ярко выраженную анизотропию, заметно усложняютсяисследования реакции на приложенные усилия и их математическоеописание.

Такие материалы могут дать ответы на многие вопросы,касающиеся прочности твердых тел, привести к неожиданным результатами умозаключениям.10В представленной работе в качестве исходного материала дляисследований выбрана сложная природная структура - древесина.Целью работы является проведениеисследованияпрочностидревесины при «жестком» режиме нагружения.Древесина находит широкое применение в следующих отрасляхпромышленности [80]:- промышленноеигражданскоебольшепролетных сооружений,строительство(перекрытияпроизводственные и складскиепомещения с химически агрессивной средой);- дорожное и железнодорожное строительство (мосты, настилы,перила, сваи, шпалы, платформы и др.);-судостроение;- вспомогательные сооружения.Причины, по которым следует углубиться в изучение прочностидревесины следующие:- богатаяисторияиспользованиячеловечествомдревесинывхозяйственных нуждах с древнейших времен и до наших дней;- выдающиеся с практической точки зрения качества данногоматериала,такиекаклегкостьобработки,естественнаявозобновляемость ресурсов, низкий удельный вес конструкций приудовлетворительных прочностных параметрах;- огромные запасы древесины в России.Последний пункт требует более подробного описания.Россия прочно занимает одно из первых мест по запасам древесины.Леса нашей страны занимают около 700 млн.

га. площадей. На огромныхплощадях произрастают десятки разновидностей деревьев, однако дляпромышленного производства пригодны далеко не все.Наиболее распространеныв производствехвойные породы,особенно, сосна и ель, хотя наибольшие запасы в нашей стране11лиственницы.

Из лиственных деревьев незначительное использованиенаходит лишь дуб. Остальные породы ввиду их невысокой прочности и неисследованности свойств пока используются слабо, в последние годы, восновном, для производства мебели, паркета и т.п. Однако необходимоупомянуть, что изучение именно дуба представляет огромную ценность,так как большинство старинных бесценных памятников архитектурыРоссиисооруженыиздревесиныэтойпородыинуждаютсявреконструкции, замене или усилении отдельных частей.НижепредставленараспространенныхнадиаграмматерриториираспределенияРоссиипороднаиболеедревесины(рис. 1.2).Лесные запасы в России по породам в %• 220%1 - лиственница; 2 - сосна; 3 - ель; 4 - кедр; 5 - пихта; 6 - береза; 7 - осина; 8 - дуб; 9 - прочиепороды.Рис 1.2 Лесные запасы России по породам в процентах.Как видно из приведенной диаграммы, подавляющее большинстволесных запасов России составляют хвойные деревья; лиственница, сосна иель.