Ідентифікація напружено-деформівного стану деревини із змінним вологовмістом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Український державний лісотехнічний університет

УДК 674.047

Поберейко Богдан Петрович

Ідентифікація напружено-деформівного стану

деревини із змінним вологовмістом

Спеціальність 05.05.07 - машини та процеси лісівничого комплексу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Українському державному лісотехнічномууніверситеті міністерства освіти і науки України Науковий керівник : кандидат фізико-математичних наук, Соколовський Ярослав Іванович, Український державний лісотехнічний університет, доцент кафедри автоматизації виробничих процесів, електротехніки і теплотехніки

Офіційні опоненти : доктор технічних наук, професор Білей Петро Васильович, Український державний лісотехнічний університет, завідувач кафедри технології деревообробки та захисту деревини; кандидат фізико-математичних наук, Кирилюк Віталій Семенович, Інститут механіки ім. С.П. Тимошенко НАН України, старший науковий співробітник відділу реології

Провідна установа: Державний університет “Львівська політехніка”, Міністерства освіти і науки України, кафедра хімічної інженерії і промислової екології, м.Львів

Захист відбудеться “ 26 ” вересня 2000 року о 1430 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.072.03 Українського державного лісотехнічного університету за адресою: 79057, м.Львів, вул.Ген.Чупринки, 103, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Українського державного лісотехнічного університету за адресою: 79057, м.Львів, вул. Ген.Чупринки, 101.

Автореферат розісланий “ 22 ” серпня 2000 року

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Прокопович Б.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток деревообробної галузі України обумовлює вирішення важливих задач забезпечення необхідних показників якості висушуваної деревини. Одним із способів розв'язання яких є детальне вивчення динаміки напружено-деформівного стану матеріалу із змінним вологовмістом. На сьогоднішній день ідентифіковано деформаційні процеси в основному у пружній області деформування деревини в умовах тепломасообміну з навколишнім середовищем. Для вдосконалення існуючих методик визначення та контролю за поточним напружено-деформівним станом деревини у процесі зміни вологи необхідно враховувати її реальну поведінку у нестаціонарних температурно-вологісних полях. Тому актуальними є теоретичні та експериментальні дослідження природи та закономірностей розвитку напружень у деревині залежно від її в'язкопружних властивостей і вологісного стану у процесі його зміни.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася у рамках науково-дослідних робіт УкрДЛТУ:

№0195 U015902 (1995-1997рр.)“Розробка і створення нових класів деревинних і композитних матеріалів на основі автоматизованих енерго-ощадних технологій”, (розроблено алгоритми розрахунку напружено-деформівного стану матеріалів);

№0197 U000345 (1997-1999рр.)“Розробка наукових основ автомати-зації деревообробного виробництва”, (запропоновано спосіб контролю напружень у висушуваних пиломатеріалах за різницею локального і середнього вологовмістів та розроблено практичні рекомендації його застосування).

Мета роботи і задачі досліджень. Ідентифікація та прогнозування напружено-деформівного стану деревини з врахуванням її в'язкопружних властивостей та розробка методики контролю напружень матеріалу у процесі сушіння.

Для досягнення поставленої мети у роботі розв'язані наступні завдання:

проведено теоретичні дослідження динаміки напружено-деформівного стану деревини із врахуванням в'язкопружних властивостей матеріалу у нестаціонарних температурно-вологісних умовах;

експериментально визначено реологічну поведінку деревини для різних значень температур і вологості;

розроблено методи та алгоритми розрахунку вологісних, залишкових і повних напружень у деревині з врахуванням її в'язкопружних властивостей залежно від параметрів оточуючого середовища;

виявлено вплив температурно-вологісного поля матеріалу на динаміку напружено-деформівного стану та запропоновано новий спосіб неруйнівного контролю вологісних і залишкових напружень у висушуваній деревині.

Об'єкт досліджень - деревина сосни і ялини.

Предмет досліджень - визначення та контроль напружено-деформівного стану деревини із змінним вологовмістом.

Методи досліджень. У дисертації використано: методи механіки суцільного середовища і диференційні рівняння масоперенесення для синтезу фізико-математичної моделі; експериментальні статичні методи для визначення повзучості деревини; інтерполяційні методи для обробки результатів вимірювання; кондуктометричний метод вимірювання вологісного стану деревини для розробки способу неруйнівного контролю напружень.

Наукова новизна одержаних результатів:

синтезовано фізико-математичну модель для визначення та контролю напружено-деформівного стану пиломатеріалів із змінним вологовмістом залежно від в'язкопружних властивостей деревини;

отримано залежність інтенсивності випаровування вологи з поверхні деревини від параметрів вологого повітря для визначення впливу температурно-вологісних полів оточуючого середовища на закономірності розвитку вологісних і залишкових напружень у пиломатеріалах;

встановлено співвідношення зв'язку залишкових напружень і деформацій повзучості у деревині зі змінним вологовмістом, що дозволило виявити та обгрунтувати причини виникнення залишкових напружень у в'язкопружній області деформування пиломатеріалу під дією нерівномірно розподілених в їх об'ємі вологісних полів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методику та алгоритми розрахунку напружено-деформівного стану деревини із змінним вологовмістом. Запропоновано новий спосіб контролю вологісних і залишкових напружень, який є основою для корекції режимів сушіння пиломатеріалів. Результати роботи впроваджено на ВАТ “Добромильський ДОК”. За результатами досліджень отримано два патенти України.

Особистий внесок здобувача. Автором у [5, 6] синтезовано фізико-математичну модель визначення напружено-деформівного стану пиломатеріалів із змінним вологовмістом. У [7, 10], на основі викладеної у [3] методики розрахунку параметрів кривих повзучості та результатів робіт [1,2], експериментально досліджено реологічну поведінку деревини сосни і ялини у стаціонарних температурно-вологісних полях. У [4, 11] розроблено алгоритми розрахунку напружень, а у [8] визначено коефіцієнт вологопровідності.

Апробація результатів дисертації. Матеріали досліджень доповідались

і обговорювались на:

міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми автоматизації лісопромислового комплексу” (м. Львів, 1996р.);

четвертій міжнародній науково-практичній конференції “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР мікроелектроніки”

(м. Львів, 1997р.);

міжнародній конференції “Моделювання і дослідження стійкості систем” (м. Київ, 1997р.);

тринадцятому міжнародному симпозіумі “Pokroky vo Vyrobe a pouziti lepidel v drevarskompriemysle” (Словаччина, м. Зволен, 1997р.);

міжнародній конференції “Мехатехнология на дрьвесината” (Болгарія, м. Софія, 1997р.);

тринадцятій науковій конференції з технології деревини “Drewno-Matrial o wszechstronnym pszeznacziniv i zastosowaniv” (Польща, м. Варшава, 1999р.);

науково-технічних конференціях УкрДЛТУ і наукових семінарах кафедри автоматизації виробничих процесів електротехніки і теплотехніки

(м. Львів, 1995-1999рр.).

Публікації. Основні результати роботи опубліковано у 12 наукових працях. Отримано два патенти України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота обсягом 189 сторінок рукописного тексту, складається із вступу, п'ятьох розділів, висновків та рекомендацій, переліку використаної літератури і двох додатків. Основний текст, викладений на 143 сторінках, містить 19 рисунків та 17 таблиць. Бібліографічний список включає 156 найменувань.

в'язкопружні сушіння деревина реологічна

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подано загальну характеристику дисертації. Висвітлено актуальність теми, мету і задачі досліджень. Викладено наукову новизну і практичну значимість отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано сучасні досягнення в області моделювання і контролю напружено-деформівного стану у висушуваних пиломатеріалах та досліджень в'язкопружних властивостей деревини. Наведено огляд фізико-математичних моделей визначення та експериментально-розрахункових методик контролю вологісних і залишкових напружень. Викладено встановлені у проаналізованих роботах закономірності розвитку та механізми виникнення напружень. Зокрема, для їх відображення вихідні рівняння тристержневої моделі Уголєва Б.Н. подано у вигляді:

; (1)

, (2)

де ; ;

, - відповідно вологісні і залишкові напруження в і-тому стержні; , , Si - відповідно вологість, модуль пружності і товщина і-того стержня; b - коефіцієнт лінійного всихання деревини;t - поточний час зміни вологи. Це дозволило наглядно показати, що виявлена у роботах Белянкіна Ф.П., Уголєва Б.Н., Лєонтьєва Н.Л., Білея П.В. та інших дослідників залежність миттєвого модуля пружності деревини від вологості є однією з основних причин наявності залишкових напружень у висушуваних пиломатеріалах.

На основі узагальнення існуючих підходів моделювання напружень у пружній області деформування деревини під дією нерівномірно розподілених в її об'ємі температурно-вологісних полів та аналізу результатів досліджень в'язкопружних властивостей деревини обгрунтовано синтез нової фізико-математичної моделі визначення напружено-деформівного стану пиломатеріалів із змінним вологовмістом.

У другому розділі узагальнено феноменологічні моделі реологічної поведінки деревини. Показано, що у лінійній інваріантній відносно часового зсуву, в'язкопружній області деформування взаємозв'язок між напруженнями і деформаціями визначається відомими у механіці спадкових середовищ залежностями Вольтери-Больцмана.

На основі рівнянь Вольтери-Больцмана і законів усадки синтезовано фізико-математичну модель зв'язку напружено-деформівного і вологісного станів деревини, яку представлено у вигляді системи рівнянь:

(3)

де f(t,y)=E(t,y)b(t,y)/(1+b(t,y))U0; y - координати точок відносно центральної площини дошки; U0- початковий вологовміст матеріалу; E(t,y), b(t,y), R(t-t*,y) -фізико-механічні характеристики деревини (модуль пружності, коефіцієнт всихання, ядро релаксації); U(t,y), Ucер(t) - характеристики вологісного стану деревини (функція розподілу вологовмісту за товщиною дошки і середній вологовміст); sв(t,y), sз(t,y), s(t,y) - відповідно вологісні, залишкові і повні напруження.

Виведено залежність інтенсивності випаровування I(t) з поверхні висушуваного матеріалу від фізичних параметрів оточуючого середовища на етапі сталої швидкості зміни вологовмісту

, (4)

де j(t), tc(t), Dt(t) - параметри оточуючого середовища (відносна вологість, температура, психометрична різниця температур); Pнс- тиск насиченої пари; Dp- коефіцієнт вологопровідності деревини, віднесений до різниці тисків; Nu - критерій Нусельта; L - характерний лінійний розмір матеріалу.

У рамках синтезованої фізико-математичної моделі (3) з врахуванням співвідношення (4) і визначеної у роботі залежності U(t,y)-Uсер(t,y) отримано систему рівнянь для розрахунку напружено-деформівного стану деревини із змінним вологовмістом.

Для сталої швидкості зміни вологовмісту:

(5)

Для нерегулярного і регулярного режимів зміни вологовмісту:

де

;

;

; ;

2b - товщина дошки; r0 - умовна густина деревини; am- коефіцієнт волого-провідності; Uпс, Uцс - вологовмісти на початку періоду нерегулярного режиму зміни вологи (на поверхні та у центральній площині дошки); Up- рівноважний вологовміст; Fo = amt/b2, Bi = ab/am - критерії Фур'є і Біо; h(Fo) - функція Хевісайда. Коефіцієнти m1 і A1 визначаються наведеними у роботах Ликова А.В. рівняннями:

ctgm1 = m1; A1 = 2sinm1 / (m1 + 2sinm1cosm1 ), 0 < m1 < p/2.

На основі аналізу рівнянь (3) встановлено: 1) значення величини вологісних напружень sв(t,y) на момент часу є прямопропорційними різниці локального U(t,y) і середнього Uсер(t) вологовмістів і не залежать від вологісного стану матеріалу на попередніх етапах процесу зміни вологи; 2) за-лишкові напруження sз(t,y) визначаються динамікою вологісного стану (U(t,y) і Uсер(t)) висушуваного матеріалу, тобто залежать від “історії” розвитку процесу.

Запропонована модель (5)-(6) дозволяє розрахувати вологісні, залишкові і повні усадні напруження у в'язкопружній області деформування деревини залежно від параметрів оточуючого середовища, фізико-механічних характеристик і розмірів матеріалу.

Третій розділ присв'ячено експериментальному дослідженню реологічної поведінки деревини сосни та ялини вздовж і поперек волокон під дією сталого механічного навантаження у стаціонарних температурно-вологісних умовах. Описано методику проведення досліджень та експериментальну установку. Наведено системи вимірювань і реєстрації температури, вологості і в'язкопружних деформацій деревини. На основі аналізу експериментальних результатів за ядро повзучості деревини сосни та ялини у тангенціальному напрямі деформування вибрано експоненціальну залежність

. (7)

Невідомі параметри С і tрел визначено за наведеною у роботі методикою, яка грунтується на перетвореннях Лапласа і чисельних інтерполяційних методах інтегрування. Побудовано апроксимовані рівняннями Вольтери-Больцмана криві повзучості для різних значень температур t=[20°C, 40°C, 60°C, 80°C, 100°C, 120°C] і рівнів вологості випробовуваного матеріалу W=[10%, 14%, 22%, 36%]. На рис.1 наведено криві повзучості деревини сосни у тангенціальному напрямі деформування, випробовуваної для температури 80°С. З кривих повзучості визначено миттєві E (Е=s(t)/e(t) для t = 0) і тривалі ET (ET = s(t)/e(t) для ) модулі пружності. Резуль-тати обчислень величин Е і Е/ET узгоджуються з даними наведеними у роботах Ашкеназі Е.К., Уголєва Б.Н., Лєонтьєва Н.Л., Білея П.В. Зокрема, показано, що відношення Е/ET у досліджуваних діапазонах температур і вологи змінюється у межах від 1,6 до 1,8, а миттєвий модуль пружності з ростом температури і гігроскопічної вологи зменшується за лінійним законом

E=E0+KW(25-W)+Kt(100-t)+KWt(25-W)(100-t), (8)

де KW=4; Kwt=0,44; Kt=1; E0 - значення миттєвого модуля пружності деревини для температури 100°С і вологості 25%. для

Рис.1. Криві повзучості деревини сосни температурою 80оС у тангенціальному напрямі деформування для різних значень вологості W.

Отримано рівняння зміни часу релаксації від вологовмісту деревини сосни та ялини у тангенціальному напрямі деформування

. (9)

Значення коефіцієнта B(t), визначеного методом найменших квадратів, наведено у табл.1.

Таблиця 1. Коефіцієнти для визначення часу релаксації кривих повзучості деревини сосни та ялини

t,°C 20 40 60 80 100 120

B(t) Сосна 160 123 95 72 57 45

Ялина 190 158 132 110 92 72

У четвертому розділі на основі синтезованої фізико-математичної моделі (5)-(6) і відомих методик визначення коефіцієнта вологопровідності am, критерію Біо та ядра релаксації R(t-t*) розроблено методику розрахунку вологісних sв(t,y), залишкових sз(t,y), і повних s(t,y) напружень. Досліджено природу та динаміку напружено-деформівного стану у в'язкопружній області деформування деревини під дією нерівномірно розподілених в об'ємі матеріалу вологісних полів.

З метою проведення чисельного експерименту за розробленою методикою розрахунку sв(t,y), sз(t,y) і s(t,y), та вивчення впливу вологісного поля деревини на її напружено-деформівний стан знайдено залежність R(t-t*) для сосни та ялини

. (10)

Для пиломатеріалів із сосни (E = 280Мпа; ET=167Мпа; b=0,0023; ro= =480кг/м3 для t=20°C і W=25%) різної товщини визначено sв(t,y), sз(t,y), а також значення локальних вологовмістів на поверхні U(t,b), у центральному шарі U(t,0) і середнього вологовмісту Uсер(t) для різних моментів часу t. Зокрема, на рис.2 показано динаміку напружень sв(t,y) і sз(t,y) на поверхні і всередині тангенціальної дошки із сосни, висушуваної в умовах сталого технологічного режиму (tc=88°C, Dt=14°C, j=55%, швидкість руху агента сушіння V=2м/с). На рис.3 наведено відповідні графічні залежності U(t,b), U(t,0) і Uсер(t). Виявлена зміна знаку вологісних напружень sв(t,b/2) (рис.2а) на момент часу t»40хв, згідно другого рівняння системи (3), зумовлена зміною знаку різниці локального U(t,b/2) і середньогоUсер(t) вологовмістів. На поверхні та у центральному шарі дошки вологісні напруження sв(t,b) і sв(t,0) (криві 1 і 2 на рис.2а) протягом часу зміни вологи за знаком не змінюються, тому щоU(t,0)-Uсер(t)>0, а U(t,b)-Uсер(t) < 0 для будь-якого моменту часу t (рис.3). Таким чином, у процесі зміни середнього вологовмісту межа розділу поверхневих розтягуючих і внутрішніх стискаючих напружень переміщується у глиб матеріалу.

На основі аналізу багаточисельних розрахункових результатів і графіків (рис.2) встановлено, що для розтріскування матеріалу деревини небезпечним є ріст вологісних напружень sв(t,b) на його поверхні, які досягають максимального значення на момент часу t=0,1b2/am. У період регулярного режиму зміни вологи небезпечними є максимальні значення напружень sз(t,0), у центральному шарі матеріалу.

Отримано формулу зв'язку залишкових напружень sз(t,y) з деформаціями повзучості eп(t,y), розвиток яких зумовлений дією нерівномірно розподілених в об'ємі матеріалу деревини із змінним вологовмістом вологісних полів sв(t,y)

. (11)

Показано, що співвідношення (11) виконується лише для випадку нерівномірного розподілу деформацій eп(t,y) за товщиною матеріалу. Таким чином, під дією вологісних напружень у деревині розвиваються деформації повзучості, нерівномірний розподіл яких є однією з основних причин виникнення залишкових напружень у в'язкопружній області деформування матеріалу в умовах тепломасообміну з навколишнім середовищем.

Рис.2. Динаміка вологісних (а), залишкових (б) напружень для нерегулярного і регулярного режимів зміни вологи у тангенціальній дошці із сосни товщиною 2b=13мм: 1 - на поверхні; 2 - на відстані (b) від поверхні; 3 - на відстані (b/2) від поверхні.

Рис.3. Зміна вологи у тангенціальній дошці із сосни товщиною 2b=13мм для періодів нерегулярного і регулярного режимів: 1- на поверхні, 2- на відстані (b) від поверхні; 3-середня вологість.

У п'ятому розділі на основі синтезованої фізико-математичної моделі визначення напружено-деформівного стану та експериментальних досліджень в'язкопружних властивостей деревини запропоновано новий спосіб неруйнівного поточного контролю напружень у висушуваних пиломатеріалах. Суть якого полягає у неперервному вимірюванні кондуктометричним методом різниці локального U(t,y) і середнього Uсер(t) вологовмістів та подальшому розрахунку вологісних, залишкових і повних напружень за формулами (3), (8), (9) і (10). Від відомих методів (зокрема, диференціальної усадки, за перепадом вологи і за середнім вологовмістом) контроль напружень за різницею вологовмістів U(t,y) і Uсер(t) відрізняється тим, що дозволяє протягом часу сушіння визначити: 1) вплив в'язко-пружних характеристик деревини (E, ET, tрел i R(t-t*,y)) на її напружено-деформівний стан; 2) динаміку вологісних і залишкових напружень на поверхні і всередині пиломатеріалу. Результати досліджень наведено у табл.2.

Таблиця 2. Вологісний і напружено-деформівний стани у тангенціальній дошці із сосни товщиною 2b=13мм, висушуваній в умовах технологічного режиму: tc=880C; Dt=140C; j=55%; V=2м/с.

Час су-шіння Вологість пиломатеріалу Вологісні Напруження Залишкові Напруження

t, год. на по- верхні W(t,b),% всереди- ні W(t,0), % Cередня W(t), % sв(t,b), МПа sв(t,0), МПа sз(t,b), МПа sз(t,0), МПа

1 2 3 4 5 6 7 8

0,00 24,5 24,5 24,5 0,00 0,00 0,00 0,00

0,25 23,0 24,5 23,5 -0,08 0,05 0,08 -0,04

Продовження табл. 2

1 2 3 4 5 6 7 8

0,50 21,8 24,0 22,5 -0,12 0,07 0,12 -0,05

0,75 21,1 24,0 22,1 -0,21 0,19 0,17 -0,06

1,00 20,6 24,0 21,6 -0,30 0,24 0,23 -0,08

1,25 19,5 23,5 20,7 -0,42 0,33 0,27 -0,11

1,50 18,9 23,5 20,3 -0,56 0,42 0,32 -0,13

1,75 17,7 23,0 19,4 -0,75 0,63 0,36 -0,16

1 2 3 4 5 6 7 8

2,00 16,2 22,0 18,2 -0,91 0,84 0,43 -0,19

2,25 14,8 21,0 17,0 -1,43 1,12 0,51 -0,22

2,50 13,5 20,0 16,2 -1,60 1,35 0,60 -0,25

3,00 12,5 19,0 15,5 -1,70 1,15 1,27 -0,73

3,50 10,3 18,0 14,7 -2,50 0,73 1,51 -0,74

4,00 9,8 16,9 14,3 -2,10 0,28 1,70 -0,43

4,50 9,2 16,0 13,6 -1,70 0,25 1,48 -0,32

5,00 9,0 15,0 12,9 -1,50 0,24 1,23 -0,29

5,50 9,0 14,0 12,4 -1,30 0,23 0,95 -0,27

6,00 9,3 13,5 12,1 -1,20 0,23 0,82 -0,26

7,00 9,6 12,7 11,6 -0,80 0,22 0,64 -0,24

8,00 9,7 12,0 11,2 -0,60 0,21 0,57 -0,24

9,00 9,7 11,5 11,0 -0,45 0,20 0,50 -0,22

10,0 9,7 11,0 10,6 -0,35 0,19 0,44 -0,22

11,0 10,1 11,2 10,8 -0,29 0,18 0,39 -0,21

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

1. На основі аналізу літературних джерел встановлено, що на сьогоднішній день залишаються не вирішеними задачі своєчасного виявлення небезпечних напружень у в'язкопружній області деформування деревини під дією нерівномірно розподілених в її об'ємі температурно-вологісних полів.

2. На основі аналізу рівнянь Вольтери-Больцмана і фізичних законів про усадку капілярно-пористих тіл синтезовано нову фізико-математичну модель визначення напружено-деформівного стану деревини із змінним вологовмістом. Згідно якої вологісні напруження у будь-якій точці матеріалу є прямопропорційними різниці локального U(t,y) і середнього Uсер(t) вологовмістів. Залишкові напруження визначаються динамікою різниці вологовмістів U(t,y) і Uсер(t).

3. Експериментально підтверджено, що реологічна поведінка деревини у в'язкопружній області деформування описується рівняннями Вольтери-Больцмана. На основі експериментальних досліджень та інтерполяційних методів обробки даних запропоновано ядра повзучості і релаксації для сосни і ялини.

4. Розроблено методику розрахунку напружено-деформівного стану деревини, яка дозволяє у будь-якій точці матеріалу і для будь-якого моменту часу зміни вологи розрахувати значення величин вологісних, залишкових і повних напружень.

5. Проведено чисельний експеримент для виявлення особливостей розвитку вологісних, залишкових і повних напружень у деревині із змінним вологовмістом залежно від параметрів оточуючого середовища, фізико-механічних характеристик і розмірів матеріалу.

6. Встановлено, що однією з основних причин виникнення і розвитку залишкових напружень у в'язкопружній області деформування деревини в умовах тепломасообміну з навколишнім середовищем є нерівномірний розподіл деформацій повзучості за товщиною матеріалу, розвиток яких зумовлений дією вологісних напружень. Підтверджено, що джерелом вологісного поля напружень є нерівномірний розподіл вологісних деформацій, зумовлений усадними властивостями деревини і перепадом вологи між поверхнею і центральним шаром.

7. Для забезпечення гарантованої якості висушуваного матеріалу деревини необхідно здійснювати поточний контроль за ростом вологісних напружень на його поверхні у період нерегулярного режиму зміни вологи, а на етапі регулярного режиму контролювати ріст залишкових напружень у центральному шарі.

8. Запропоновано новий спосіб неруйнівного контролю поточного напружено-деформівного стану пиломатеріалів у процесі сушіння. Суть якого полягає у неперервному вимірюванні різниці локального U(t,y) і середньогоUсер(t) вологовмістів на поверхні та у центральному шарі матеріалу та подальшому визначенні на основі синтезованої фізико-математичної моделі вологісних, залишкових і повних напружень.

9. Розроблено практичні рекомендації застосування запропонованого способу контролю (експериментальне визначення в'язкопружних характеристик і вологісного стану дошки штабеля з мінімальним миттєвим модулем пружності, а також алгоритм розрахунку вологісних, залишкових і повних напружень на поверхні та у центральному шарі пиломатеріалу) апробовано і впроваджено на ВАТ “Добромильський ДОК”. Це дозволило зменшити брак висушуваної продукції на 7-10% за рахунок своєчасного виявлення небезпечних напружень.

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Поберейко Б.П. Узагальнення феноменологічних моделей реологічної поведінки деревини // Науковий вісник. Зб.наук.-техн.пр. - м.Львів. УкрДЛТУ - 1998. - вип.8.1. - С.223-230.

2. Поберейко Б.П. До визначення зміни деформацій в деревині// Науковий вісник. Зб.наук.-техн.пр. - м.Львів, УкрДЛТУ - 1997 - вип.6. - С.55-57.

3. Поберейко Б.П. Методика визначення параметрів кривих повзучості деревини // Науковий вісник. Зб.наук.-техн.пр. - м. Львів, УкрДЛТУ -

1998 - вип.8.1. - С.232-236.

4. Соколовский Я.И., Поберейко Б.П. Расчет нестационарних напряжений в древесине при воздействии влаги // Известия высших заведений России / Лесной журнал. - 2000. - №1. - с.99-105.

5. Соколовський Я.І., Поберейко Б.П. Визначення напружень у деревині в процесі сушіння // Науковий вісник. Зб.наук.-техн.пр. - м. Львів, УкрДЛТУ - 1997 - вип.7. - С.121-126.

6. Соколовський Я.І., Поберейко Б.П. Дослідження вологісних і залишкових напружень деревини у процесі сушіння // Науковий вісник. Зб.наук.-техн.пр. - м.Львів, УкрДЛТУ - 1998 - вип.8.1. - С.196-207.

7. Соколовський Я.І., Поберейко Б.П. Експериментальні дослідження реологічних властивостей деревини впоперек волокон // Науковий вісник. Зб.наук.-техн.пр. - м.Львів, УкрДЛТУ - 1997 - вип.6. - С.148-151.

8. Сафаров В.О., Книш Ю.В., Поберейко Б.П. Доповнення І-d діаграми термодинамічними параметрами вологого повітря // Науковий вісник. Зб.наук.-техн.пр. - м.Львів, УкрДЛТУ - 1997 - вип.6. - С.156-158. (визначено коефіцієнт вологопровідності).

9. Соколовський Я.І., Гірник М.Л., Шикеринець І.М., Поберейко Б.П. Механічні властивості деревинних композитних матеріалів // Препр. №95.8 - УкрДЛТУ, 1996. - 53с. (розрахунок міцності пиломатеріалів).

10. Соколовский Я.И., Поберейко Б.П. Экспериментальные исследования реологических свойств древесины и древесных композитов Мат. міжн. конф. “Pokroky vo vyrobe a pouziti leppidel v drevopriemysle”, Cловаччина, 3-5 вересня 1997р. стор.85-94.

11. Соколовский Я.И., Поберейко Б.П. Разчет влажностните напряжения в дрьвесинате. Сборник научны доклады - мехатехнология на дрьвесинате. Мат. міжн. конф., Болгария, 1997р. стор.55-61. (розрахунок вологісних напружень).

12. Соколовський Я.І., Поберейко Б.П. Деформаційно-релаксаційні процеси в технічних задачах механіки деревинних композитних матеріалів, Мат. міжн. наук.-практ. конф. “Проблеми автоматизації лісопромислового комплексу” - УкрДЛТУ, Львів, 27-28 травня 1996р. стор.65-70.

13. Пат.23817А Україна, МКИ G01N21/00. Спосіб неруйнівного контролю напружено-деформівного стану деревини та деревинних листових матеріалів при сушінні / Озарків І.М., Соколовський Я.І., Бехта П.А., Озарків С.І., Поберейко Б.П. (Україна) - N97031299; Заявл. 21.03.97; Опубл. 16.06.98.

14. Пат. 24346А Україна, МКИ G01N29/00 Спосіб неруйнівного контролю вологості в процесі сушіння / Соколовський Я.І., Сафаров В.О., Поберейко Б.П., Філінюк Р.В., Книш Ю.В., Гнатишин Я.М., Гербей В.Н., Воронов В.Г., Качанов П.О., Ільницький І.М. (Україна) N97031301; Заявл. 21.03.97; Опубл. 17.07.98.

АНОТАЦІЇ

Поберейко Б.П. Ідентифікація напружено-деформівного стану деревини із змінним вологовмістом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.07 - машини та процеси лісівничого комплексу. - Український державний лісотехнічний університет, Львів, 2000.

Дисертація присв'ячена вирішенню науково-технічної задачі визначення та контролю напружено-деформівного стану пиломатеріалів із змінним вологовмістом з врахуванням в'язкопружних властивостей деревини. У роботі на основі рівнянь Вольтери-Больцмана і законів усадки капілярно-пористих тіл синтезовано фізико-математичну модель деформування пиломатеріалів під дією змінних за їх товщиною і часом вологісних полів. Розроблено інженерну методику розрахунку вологісних, залишкових і повних напружень у висушуваній деревині, залежно від її в'язкопружних характеристик та параметрів оточуючого середовища.

Запропоновано новий спосіб неруйнівного контролю поточного напружено-деформівного стану висушуваної деревини за різницею локального і середнього вологовмістів матеріалу.

Ключові слова: деревина, вологовміст, інтенсивність випаровування, напружено-деформівний стан, вологісні напруження, залишкові напруження, в'язкопружність.

Поберейко Б.П. Идентификация напряженно-деформируемого состояния древесины с переменным влагосодержанием.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.07 - машины и процессы лесного комплекса. Украинский государственный лесотехнический университет, Львов, 2000.

Диссертация посвящена вопросам моделирования и контроля напряженно-деформируемого состояния древесины с переменным влагосодержанием. В работе теоретически и экспериментально показано, что во вязкоупругой области деформирования древесины сосны и ели взаимосвязь напряжений и деформаций описывается уравнениями Вольтерa-Больцмана. Исходя из этого синтезирована физико-математическая модель определения напряжений в пиломатериалах под действием температурнo-влажностных нагрузок. В частности установлено прямопропорциональную зависимость влажностных напряжений в любой точке y объема материала от разности локального U(t?,y) и среднего Ucер(t?) влагосодержаний. Остаточные напря-жения определяются динамикой разности влагосодержаний U(t?,y) и Ucер(t?), то есть зависят от "истории" развития влажностного состояния материала. Для расчета напряженно-деформируемого состояния высушиваемых пиломатериалов при заданных параметрах окружающей среды получено соот-ношения связи величины U (t?,y)-Ucер(t?) с критериями Био и Фурье.

С целью определения ядра релаксации проведены реологические испытания образцов сосны и ели на ползучесть при стационарных температурно-влажностных условиях. Используя известные интерполяционные методы обработки экспериментальных, данных найдено время релаксации деформаций ползучести древесины при разных значениях температуры и гигроскопической влажности, а также мгновенный и длительный модули упругости. Путем сравнения экспериментальных деформаций ползучести с теоретическими, найдеными из уравнений Вольтеры-Больцмана, предложено ядро ползучести древесины экспоненциального типа.

На основании синтезированной модели и методик определения коэффициента влагопроводности и критерия Био, а также известного соотношения связи ядер релаксации и ползучести разработано методику расчета влажностных, остаточных и полных напряжений на поверхности и внутри материала с переменным влагосодержанием. Проведен численный экспе-римент с целью выявления причин их возникновения и особенностей развития. В частности определена динамика напряженно-деформируемого состояния в тангенциальных сосновых досках различной толщины, высушиваемых в условиях постоянного технологического режима. На основании анализа результатов расчета установлено, что одной из основных причин возникновения и развития остаточных напряжений во вязкоупругой области деформирования древесины под действием температурно-влажностных нагрузок является неравномерное распределение деформаций ползучести по толщине материала.

Полученный вывод согласован с исходными положениями синтезированной физико-математической модели. В рамках которой выведено прямопропорциональную зависимость остаточных напряжений от деформаций ползучести. Подтверждено, что источником влажностных напряжений является неравномерное распределение влажностных деформаций, обусловленное усадочными свойствами древесины и неравномерным распределением влаги в объеме материала.

Предложен новый способ неразрушающего контроля напряженно-деформируемого состояния высушиваемых пиломатериалов. Сущность которого состоит в непрерывном измерении разности локального U(t?,y) и среднего Ucер(t?) влагосодержаний с последующем определением влажностных, остаточных и полных напряжений на основании соотношений синтезированной физико-математической модели. Разработаны практические рекомендации использования предложенного способа контроля.

Показано, что для оценки безопасного напряженно-деформируемого состояния пиломатериалов штабеля достаточно ограничится контролем напряжений в материале с наименьшим мгновенным модулем упругости.

Апробация предложенного способа контроля показала, что его использование позволяет своевременно выявить и оценить напряжения безопасные для качества высушиваемых пиломатериалов.

Ключевые слова: древесина, влагосодержание, интенсивность испарения, напряженно-деформируемое состояние, влажностные напряжения, остаточные напряжения, вязкоупругость.

Poberejko B.P. Identification of the stress-strain state of wood wich the varieble content of moisture.

Thesis for a candidate of technical sciences degree, speciality 05.05.07- Machines and processes of the forest complex. Ukrainian State University of Forestry and Wood Technology, Lviv, 2000. Manuscript.

The thesis is dedicated to the problem of identification and control of the stress-strain state of wood in the process of drying taking into account its viscoelastic properties.

The development model of relaxation-strain processes in wood under thermohumid load is worked out on the base of Volter-Boltzman equations and the laws of setting. Engeneering technique of evaluating the residual and complete setting stresses in wood subjected to drying by convection depending on its viscoelastic characteristics and drying agent parameters is worked out a new method of non-fracture control of the mean visco-elastic state of wood in of the course of drying through the difference between the local and the mean humidity contents of wood is suggested.

Key-words: humidity content, intensivity of drying, drying agent, stress-strain state,humidity stresses, residual stresses, viscoelasticity.

Размещено на Allbest.ru

...