Механическая прочность древесины (1100342), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Шатц [143] подтвердилисделанные ранее выводы о возможности применения ЛМР для расчетадеревянных конструкций. Доказывается, что использование концепцийнелинейной механики разрушения приводит к усложнению методикрасчета и экспериментальных исследований.105Однако, в ряде работ указывается, что линейно-упругая модельтрещинообразования,сопутствующимипренебрегающаямикроструктурныминеупругимиэффектамипроцессамиианизотропныхматериалов (дерево, слоистые композиты, керамические материалы и др.),укоторыхнеоднородность является однойиз наиболееважныххарактеристик, не представляется в большинстве случаев наиболееподходящей для исследования подобных материалов. [28, 142, 146].Величина коэффициентов интенсивности напряжений Kic, может сильнозависеть от геометрии образца и его размеров, равно как и от применяемыхметодов испытаний, когда не исключены случаи, при которых физическийсмысл параметра Kjc становится неясным или вообще теряется [146].Вместе с тем виды разрушения не ограничиваются понятиями"упругое" и "пластичное".
Множество обстоятельств, например, условиянагружения,предопределяютналичиесмешанногоразрушенияснепредсказуемой хрупкостью и вязкостью в изломе. [28].Еще в конце 60-х годов в работе [28] было отмечено, что "ЛМР сприсущими ей преимуществамипростоты и известной стройностинедостаточно полно охватывает процесс разрушения, чтобы оставаться ивпредь основной теоретической базой...
То, что возможно для теорииупругих изотропных сред, неосуществимо для гораздо более локальных ипотомуструктурочувствительныхпроцессовразрушения...Лучшеусложнить теорию, но вернее и точнее отобразить реальное разрушение,чем пользоваться очень простыми, но слишком идеализированнымипредположениями."В целом для древесины считается приемлемым использоватьлинейную механику разрушения (Си Г., Смит Ф., Гаппоев М., Шатц Т.
идр), хотя еще сам основатель всей механики разрушения Гриффите,проводя свои опыты на стекле, весьма осторожно высказывался оприменимости выработанных им подходов к сложным неоднороднымюе3RLTLissssssssbIM• ILRTR^p^^syRTLTРис. 4.1 Системы возможной ориентации трещин в древесине.107материалам, отклоняющихся от закона Гука при напряжениях, близких кразрушающим1 [137].Исследования трещиностойкости дерева достаточно актуальны, таккак в древесине трещины возникают уже на стадии обработки приусушенных процессах, и если сушку проводить по интенсивным режимам,то из-за появившихся дефектов прочность материала может заметноснижаться. Трещины также появляются в процессе эксплуатации из-заизменений температурно-влажностного режима работы конструкции присмене времен года и при воздействии атмосферных осадков.Нельзя также забывать, что древесина - далеко не идеальныйматериал, и любой природный дефект, будь то сучок или искривлениеволокон, может быть таким же концентратором напряжений, как изаостренныетрещины, сделанныеискусственнымпутем.Поэтомусоздание надреза перед началом испытаний близко, по сути, реальномуконцентратору напряжений.Искусственная трещина может быть полезна также и для облегченияизмерительных задач при отдельныхвидах нагружения.
Созданиеточечного надреза придает эксперименту большую точность, а образцу —направленное разрушение.Применение линейной механики, по-видимому, оправдано только из-за того, что все известные донастоящего времени работы, касающиеся древесины, оперируют исследованиями трещин при изгибевдоль волокон. Т.е. трещина распространяется между двумя слоями поздней древесины. Из опытов,которые представлены в экспериментальной части работы, можно увидеть, что разрушение при изгибевдоль волокон происходит хрупко, без образования нисходящей ветви. Отсутствие необратимыхдеформаций, которые имеют место при изгибе поперек волокон, позволяют, в известных пределах,оперировать принципами ЛМР.
Определенно, что в более сложных видах нагружения и системахтрещин применение ЛМР для такого сложного анизотропного материала, как древесина, не только неоправдано, но и приводит к некорректным выводам относительно трещиностойкости древесины.Мало того, проведение опытов при изгибе вдоль волокон и обобщении результатов для древесины вцелом, делают попытки оправдать применение экспериментальных подходов механики разрушения кдереву. Однако, как показывают проведенные нами эксперименты по изгибу поперек волокон, трещина,образующаяся на нижнем поясе, не только не может развиваться по «заданной» траектории, но иизбирает достаточно извилистые пути развития каждый раз, когда упирается в слой поздней древесины.Она начтшет следовать вдоль слоя, прорывая его в совершенно произвольном месте.
Путь получается вформе «змейки», при этом отклонение от места возникновения трещины (или начального надреза вмеханике разрушения) может составлять порядка 2-Зх сантиметров, в связи с чем измерение развитиятрещины вообще не представляется возможным.108Принято, что искусственная трещина в декартовой системе координатможет быть направлена в древесине шестью различными способамиотносительно направления волокон и годовых колец, что связано с тремяосями анизотропии дерева (рис.
4.1).Типы трещин, соответствующие различным видам напряженногосостояния, разделяются на трещины отрыва, поперечного и продольногосдвига. Наибольший интерес представляют трещины, распространяющиесяпо наиболее слабым направлениям в древесине, которыми являютсярастяжение поперек волокон и сдвиг вдоль волокон.Если же принимать за основную трансверсальную модель древесины,то количество принятых систем распространения трещин уменьшится, таккак механические свойства в направлениипо окружности будутпредполагаться одинаковыми. В данной модели наибольший интересбудут представлятьтрещины, включающиев себямаксимальнуюизменчивость свойств, т.е.
распространяющиеся параллельно к волокнам.Подробнее о классификации трещин, способах их искусственногосоздания и видах образцов для испытаний можно посмотреть, например, в[23, 143].Отметим лишь, что и в механике разрушения применяютсямалые образцы из чистой древесины несколько большего размера, чем2стандартные . Но для вопроса изучения развития трещины принятыхразмеров становится вполне достаточно.Особенно распространены образцы, испытуемые на внецентренноерастяжение и сосредоточенный изгиб. Вид изгибаемых образцов показанна рис.
4.2.Принципиального различия в применении того или иногообразца для испытаний большинства материалов нет. Однако длядревесины использование образцов сечением более 1 см может бытьпрактически неосуществимо (о чем поясняется в главе 6 при попыткахиспытатьдеревянныйобразецОбычно используют образцы сечением 40x40 или 50x50 мм (рис.
42).нарастяжение).09aяя1Q<• #4cdЯ3CUЮ&оs2D.ВЩевОн-*•*ScdXXОн1•ttHH5яВяОЯ&ixH<Dоо,xО1ВГ-+—*1O,Ю*cdXX1яйос1О2Ва+<евc414>cdВосч9пcdЯыВОн•яOH^ c^hя§§crcdЯ•csоо3Онюоcdcd• «\X<DЯi<иЯcdвOHvoоноояЯонооPQcdОнcdHо110Особое значение для правильного проведения испытаний имееттехнология изготовления усталостной трещины, которая является наиболеетрудным и ответственным этапом при подготовке образцов к испытаниям.Напервыхпорахразвитиямеханикиразрушениясуществовалонедопонимание того, что надрез должен заканчиваться заостреннойтрещиной, и того, что если в образце разрушение не происходитпреимущественно по прямой линии3, он не пригоден для определениявязкости разрушения по методу скачка.Так согласно существующим рекомендациям, надрез рекомендуетсявыполнять тонким лобзиком толщиной не более 0,25 мм, шириной около1,5 мм.
Затем в вершшгу надреза вдавливается лезвие, на глубину, равнуюглубине надреза, так, чтобы общая длина созданного концентраторанапряжений составляла 1\6 высоты образца при испытаниях на растяжениеи 1\5 при испытаниях на изгиб.4.2. Жесткие машины и полный вид диаграммы «напряжение —деформация» для древесины.За последние годы благодаря внедрению компьютерной техники впроцессы расчета и эксперимента существенно расширились возможностиисследователей в познании различных, точных процессов, в том числе иразделения тела на части.
Современные методы измерений позволяютфиксировать, например, деформации, с точностью до 0,0001 мм, чтопозволяет глубже проникнуть в суть явления разрушения.Более широкое распространение получили так называемые «жесткие»испытательные машины, в которых изменение нагрузки следует заизменением деформации, в отличие от традиционного эксперимента, когданагрузка увеличивается постоянно вплоть до разрушающей величины.Что имеет место всегда, если на пути следования трещины попадается слой поздней древесины.IllПодобные машины позволили впервые показать точный вид кривой«напряжения — деформации» с записью нисходящей ветви (участкадиаграммы, идущего за точкой максимальной нагрузки).Впервые экспериментальная кривая при испытаниях на жесткоймашине для древесины была построена, по-видимому, в [23] в виде«нагрузка - раскрытие трещины» для древесины дуба, тополя и ели прииспытанииобразцовна сосредоточенныйизгибвдольволокон.Исследования, поставленные на образцах с трещиной, имеют особуюценностьблагодаряиспользованиюжесткоймашиныивпервыеполученной нисходящей ветвью на диаграмме «a, s» при изгибе вдольволокон.Анализируя полученные данные с позиций классической механики,следует подробнее остановиться на каждом из трех этапов процессаразрушения, графическое представление которого для древесины дубавзято из [23].
(рис. 4.3).КППЧПП -5. лпп гажпX5ПП -1ППOi—I0,5111111,522,533,5r-t4.5перемещение пресса (мм)Рис. 4.3. Полная диаграмма «нагрузка - перемещение пресса» для образцас трещиной при изгибе вдоль волокон112Еще раз подчеркнем, что полную картину всех этапов могут создатьтолько «жесткие» испытательные машины, в которых за основнойпараметр принимается перемещение груза (прогиб образца в местеприложения- нагрузки), а регистрация нагрузки производится в ходеиспытаний. Появляется возможность увидеть на диаграмме «нагрузка прогиб» все изменения, происходящие с образцом:- пропорциональное нагружение (упругость);- отклонение от прямой линии при приближении нагрузки кмаксимальному значению;- резкий сброс нагрузки в момент страгивания трещины, когда еедлина скачкообразно увеличивается по сравнению с начальнойдлиной, подготовленной экспериментатором;и, наконец, завершающая стадия, когда развитие трещины несопровождается ростом нагрузки, а идет за счет накопленнойупругой деформации.Очевидно, что от нагрузки, учитывая поперечное сечение образца,можно легко перейти к напряжению, а раскрытие трещины - это и естьдеформация нижней грани образца, отнесенная к единице его длины.Полулогарифмическая шкала (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
