基于超声波无损检测技术的侧压层压竹材的力学性能

《Forest Science and Technology》：Mechanical Properties of Side-Pressed Laminated Bamboo Lumber Based on Ultrasonic NDT Technology

本研究旨在建立侧压层积竹材（SPLBL）超声传播速度与力学性能（弹性模量和抗弯强度）的关系，采用非破坏性超声检测和三点弯曲试验，发现超声速度与弹性模量（R2=0.52）及抗弯强度（R2=0.46）呈显著正相关，动态弹性模量与弹性模量相关性达0.55，验证了超声检测技术的有效性。

　　本研究旨在探讨侧压层压竹材（Side-Pressed Laminated Bamboo Lumber, SPLBL）的超声波传播速度与其机械性能之间的关系模型，并为SPLBL的非破坏性超声波检测技术提供理论依据。通过超声波传播速度测试和三阶弯曲测试，获取了SPLBL及其小试件的超声波传播速度和弯曲弹性模量与弯曲强度数据，随后对超声波传播速度与这些机械性能之间的关系进行了回归分析。研究发现，不同SPLBL试件的超声波传播速度分布图存在显著差异，表明可能存在粘接效果不一致的问题，从而导致机械性能的波动。超声波传播速度越高，往往意味着更好的粘接效果或更优异的机械性能。

在实验过程中，SPLBL材料来源于福建省南平市建瓯市，由福建双益竹木开发有限公司提供。这些材料采用侧压粘接工艺制作成500×500毫米的板材。研究选取了编号为1至5的SPLBL样本用于超声波传播速度测试和小试件的机械性能测试，而编号为6至10的样本则用于研究粘接层数对超声波传播速度的影响。测试过程中，使用了便携式的匈牙利Fakopp超声波计时器，其分辨率最高可达1微秒。通过对SPLBL试件的标记和测量，获取了不同位置的超声波传播时间数据，并据此计算出超声波传播速度。

实验还发现，不同SPLBL样本之间的平均超声波传播速度差异并不显著，但个别样本（如编号为9的样本）表现出较高的超声波传播速度，而编号为10的样本则表现出较低的速度。这种差异可能与粘接质量或板材的机械性能有关。此外，对于编号为1至5的SPLBL样本，其小试件的超声波传播速度明显低于完整板材的传播速度，这可能是由于小试件的尺寸较小，超声波在传播过程中受到边界反射的影响，从而导致传播速度的降低。这些结果表明，超声波传播速度可以作为评估小试件机械性能的一种有效手段。

在研究中，还对SPLBL的动态弹性模量与弯曲弹性模量之间的关系进行了分析。动态弹性模量是通过密度和超声波传播速度计算得出的，而弯曲弹性模量则是通过三阶弯曲测试获得的。结果显示，动态弹性模量与弯曲弹性模量之间存在良好的相关性，其相关系数（R2）达到了0.55，这表明通过测量小试件的动态弹性模量，可以合理预测其弯曲弹性模量。此外，研究还指出，超声波传播速度与弯曲弹性模量之间的相关系数（R2）为0.52，与弯曲强度之间的相关系数（R2）为0.46，均表明超声波传播速度可以作为预测和评估小试件机械性能的重要指标。

在粘接层数对超声波传播速度的影响方面，研究发现随着粘接层数的增加，超声波传播速度呈现出逐渐上升的趋势。对于编号为6至10的样本，当粘接层数分别为5、10、15、20和25时，超声波传播速度的变化趋势一致。特别是编号为9的样本，其5层的试件表现出最高的平均传播速度，而编号为10的样本则在多个粘接层数下表现出较低的传播速度，这可能表明编号为10的样本在粘接质量方面存在不足。通过线性回归分析，研究发现粘接层数与平均超声波传播速度之间存在显著的正相关关系，相关系数（R2）达到了0.95，这进一步验证了超声波传播速度与粘接层数之间的关联性。

为了更直观地展示SPLBL内部的超声波传播速度分布，研究使用Surfer软件构建了超声波速度的等高线分布图。通过分析这些等高线图，可以观察到不同样本的超声波传播速度分布存在显著差异。例如，编号为5的样本表现出最大的红色区域（表示较高的传播速度），而编号为1、2和4的样本则表现出较大的蓝紫色区域（表示较低的传播速度），这可能意味着这些样本的粘接质量或机械性能相对较差。编号为3的样本则表现出介于编号为1、2、4和5之间的传播速度分布，表明其粘接质量或机械性能优于编号为1、2、4的样本，但不如编号为5的样本。

通过对比不同样本的机械性能数据，研究发现超声波传播速度与弯曲弹性模量和弯曲强度之间存在一定的相关性。虽然相关系数并非非常高，但仍然显示出超声波传播速度可以作为预测和评估这些机械性能的有效工具。此外，动态弹性模量与弯曲弹性模量之间的相关性较强，这表明通过测量动态弹性模量，可以进一步评估弯曲弹性模量。这些结果表明，非破坏性超声波检测技术在SPLBL的机械性能评估中具有重要应用价值。

然而，研究也指出，尽管超声波传播速度与机械性能之间存在一定的相关性，但还需要考虑其他因素对这些性能的影响。例如，自然老化可能导致竹材含水率的下降，从而引入一定的随机性和波动性，影响测试结果的准确性。此外，研究还提到，当前的实验模型可能忽略了宏观和微观结构特征，未来的研究可以进一步优化模型，引入更多反映内部结构特性的参数，以提高预测的准确性和通用性。

综上所述，本研究通过实验验证了超声波传播速度与SPLBL机械性能之间的关系，展示了非破坏性超声波检测技术在评估材料性能方面的潜力。通过构建合理的模型，可以更有效地预测和评估SPLBL的弯曲弹性模量和弯曲强度，为实际应用中的在线非破坏性检测提供理论支持。未来的研究可以进一步考虑其他影响因素，以提高预测的全面性和可靠性。