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锯材作为建筑和实木家具的主要原材料,随着经济的发展,其需求量也越来越大。结合我国现在木质资源紧缺的实际情况,为了充分合理地利用锯材原料,开发和研究实用的锯材缺陷检测方法,有重要的学术意义和社会意义。现今木材内部缺陷无损检测还主要是定性判断缺陷的有无,对缺陷定位和程度评价等方面研究还相对较少。而工程结构领域里基于模态分析和模态参数的损伤识别研究,开发了很多成熟和实用的判断损伤存在、定位和程度评价的方法。本研究将借鉴和引用工程结构领域的检测方法和研究成果,研究将其应用于锯材缺陷检测方面的可行性和有效性,旨在探索和丰富锯材缺陷无损检测的有效方法。
本研究根据锯材的材种、外观尺寸和缺陷种类多种多样的实际情况,结合有限元模拟计算具有节省实验器材和方便模拟各种约束和环境条件的特点,首先探讨了有限元数值模态分析技术应用于锯材缺陷检测的具体方法,并用人工开孔损伤模拟锯材缺陷的方法,获得了不同损伤数量、位置和程度等模拟情景下的有限元锯材模型的模态参数。通过数据分析发现,固有频率参数可以定性的判断锯材损伤的有无和损伤程度的相对大小,但不能定位损伤的位置;模态振型参数只对部分重损伤程度的情景稍有判别,对轻度和中度损伤情景不敏感。
其次,本研究利用有限元模态分析所获得的不同损伤情景的模态参数,验证了柔度矩阵差值算法、模态柔度曲率差算法和柔度差曲率矩阵算法应用于锯材缺陷判断、定位和程度评价的可行性和有效性。经过研究表明,柔度矩阵差值算法对中、重度的单位置损伤情景定位准确,对轻度的单位置损伤不敏感;对双损伤和三损伤情景都只能定位其中的一部分损伤节点;对进一步的损伤程度的评价没有可行性。模态柔度曲率差算法,对木梁中间单点损伤的定位和程度评价效果是最好的,其他情景的定位有个别干扰点,其定位效果可作为参考。柔度差曲率矩阵算法的定位效果和对损伤程度的评价效果都比较好,具有很好的可行性和有效性。对比验证效果,评选出柔度差曲率矩阵算法的模拟应用效果相对最好。该算法对不同位置和不同个数的损伤节点定位准确,也能有效的评价损伤程度。
最后,本研究以实物云杉(Picea asperata)木梁为研究对象,探讨了实验模态分析技术中的单输入单输出(SISO)法应用于锯材缺陷检测的具体流程,并利用实物试件的模态参数,验证了前面模拟研究中优选出的柔度差曲率矩阵算法应用于实物锯材缺陷检测的实用性。经过研究表明,该算法指标对实物试件的轻程度损伤情景的损伤节点位置定位不准确,没有可行性;但对中度和重度损伤情景的损伤节点的定位比较准确,具有很好的可行性和有效性。在损伤程度评价方面,其对轻度、中度和重度损伤情景的程度评价不敏感,没有损伤程度评价的可行性。因此,改善该算法在现场检测时对锯材损伤程度评价的敏感性,是以后要进一步研究的工作。