竹材的拉伸短期蠕变行为及模拟

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Analysis and simulation of Moso bamboo short-term tensile creep behaviourf YAN Wei。CUI Hai-xingZHU Yi-xinAbstract：A short-term tensile creep test was caried out on Phylostachys edtdis with a stress range of 15% -60% within5.5 h.The test data were fited to self-defined functions in Origin 8.5 based on Burger mode1.The results showed that thetensile elastic strain and its ratio to total creep strain rose with the increase of stress.Viseoelastic strain and viscous strainwere in the range of 0.15% -0.3 1% and 0.14% -0.81% respectively.and their ratio to total strain both decreased withthe increase of stress.When the stress loading time was extended，elastic strain exhibited no signifcant change，but its ra-tio to total strain decreased.Both viscoelastic strain and viscous strain increased with prolonged loading time.But their ratioto total strain exhibited opposite changes with the former decreased and the later increased.Burger model could simulateshort.terra tensile creep of bamboo in a stress range of 15% -60% 。

Key words：bamboo；Burger model；short-term creep；tensileFirst authors address：Bamboo Engineering and Research Center，Nanjing Forestry University，Naming 210037，China竹材是由纤维素、半纤维素和木质素等多种组分构成的高分子聚合物，具有黏弹性，竹材的蠕变是其黏弹性的主要体现。竹材的蠕变特性会影响竹质工程材料的正常使用，降低耐久性，直接涉及到结构材料的使用安全性。在多数情况下，蠕变是需要抑制的，然而也有将竹材单元预先拉伸处理，以获得较大的黏弹性应变，使竹材单元残留的黏弹性应变最大程度地储存于竹木复合材料中，制造预应力竹木复合材料。这都需要对竹材的蠕变及蠕变回复机理予以探究，涂道伍和张晓敏等对竹材的横纹热压流变学性质和竹材径向压缩的蠕变行为做过研究 J，而拉伸是最基本的力学行为，竹材拉伸蠕变行为的研究对竹材流变学的研究具有科学意义。本试验拟改变蠕变研究的传统目的，以蠕变的利用为出发点，对竹材拉收稿日期：2012-l1-1O 修回日期：2012-12-10基金项目：江苏高校优势学科建设工程资助项 目(PAPD)。

作者简介：闰薇(1987-)，女，硕士生，研究方向竹材与竹木复合结构。

通讯作者：朱-辛，男 ，研究员。E-mail：zhuyixin###njfu.edu.cn伸短期蠕变行为进行分析，以期为竹制工程材料的制造提供基础依据。

通常情况下，木质材料的蠕变预测模型主要是经验模型和力学模型。经验模型选择最为近似的经验公式回归实测数据，虽能获得精度较高的拟合效果，但缺乏流变学的理论基础，只适用于某-种特定条件。通过某-流变学的模型来描述蠕变行为是-种相对比较科学的研究方法。迄今为止，关于木质材料蠕变有 Maxwel、Kelvin二元件模型，虎克弹性体与Maxwel或 Kelvin结合的三元件、四元件、五元件模型。目前应用最广的还是 Maxwel和 Kelvin串联而成的四元件勃格(Burger)流变模型 J，本研究则基于此模型。

1 材料与方法1.1 试验材料毛竹(P lostachys edulis)取自浙江省诸暨市，试件规格：长(顺纹方向)×宽(弦向)×厚(径向)250film ×10 mlTl×1.4 mm。

林业科技开c 2013年第27卷第 3期1.2 试验设备电子万能力学试验机：型号 CMT4304，最大负荷30 kN，载荷示值误差≤ ±0.50%，应变示值误差 ≤-t-O.50%；电阻式电子引伸计：型号YSJ50/25-2C，标距 50 mm，最大量程25 mm，精度 1×10～mm。

1。3 试验方法试件在(23-42)℃的温度和(60±5)%的相对湿度下进行调质处理，使含水率趋于稳定，蠕变试验中将维持此温度和湿度不变。

将试件长度的两端夹紧在试验机拉伸夹具的钳口中，取试样有效部分中段长度 50 mm用作测量拉伸应变的标距，安装引伸计，其刀口垂直于试件长度的中心线，以5 mm/min的加载速度加载到设定的载荷(根据应力水平确定)，应力保持时间5.5 h，绘制拉伸蠕变的时间-应变曲线。应力水平取竹材拉伸强度(本试验同批试件依据有关标准 测试)的15%、30%、45%、60%和75%，分析应力保持时间对竹材拉伸短期蠕变影响的计算点分别取 1.0、2.5、4.0、5.5 h。运用勃格四元件流变模型，采用 Origin8.5中的自定义函数拟合功能对蠕变曲线进行拟合，计算不同应力水平与应力保持时间下的蠕变三组分，即弹性应变、黏弹性应变和黏性应变。

2 结果与分析2.1 竹材拉伸蠕变曲线剔除拉伸断裂在无效部位的数据，测试得到的竹材顺纹拉伸强度为84-130 MPa，以均值 104 MPa作为其拉伸应力，则本研究应力水平分别为15.6、31.2、46.8、62.4、78.0 MPa。

竹材拉伸蠕变曲线如图 1所示(数据点采集随时间的延长前密后疏)。其中，应力水平为竹材拉伸强度75%(78.0 MPa)时，所有试件都在蠕变初期发生断裂破坏，数据缺失●后在对竹材单元进行蠕变预处理施加预应力时应小于其拉伸强度的75%。

1-61-41.21.00.8O.60·40.20 4000 8000 12000 16000 20000时间/s图1 不同应力水平竹材蠕变曲线(应力保持时间5.5 h)林业科技开发 2013年第 27卷第 3期应 用 研 穷 勃格模型是目前最经典也是能比较准确地模拟和预测木质材料蠕变的力学模型，特别是在低应力和短时间的蠕变行为。勃格模型 由 Maxwel模型和Kelvin模型串连而成，其中Maxwel模型模拟弹性和黏性应变，Kelvin模型模拟黏弹性应变。利用 Max-wel模型和 Kelvin模型迭加得到的勃格四元件模型，其勃格模型的本构方程为： s p： (1-e )at (1 )e s pi- - -e )们 L J1 - 2 ，1式中： --蠕变过程 中的弹性应变成分；On--黏弹性应变成分； --黏性应变成分。

将(1)式转化成如下形式：(t) 卢2(1-e- )卢4t (2)式中：卢 -卢 --常数；f--时间； (t)--应变 。

基于式(2)，运用 Origin8.5对蠕变曲线数据点进行的拟合曲线如图 1中实线所示，其拟合参数～ 以及相关系数 。见表 1。拟合曲线与蠕变实验曲线相关系数 均在 0.99以上，表明勃格模型可以较为准确模拟竹材拉伸短期蠕变行为。图 1显示，在15%、30%、45%、60%应力条件下，蠕变遵循相同的规律，应变均经过初期的快速增大后，随着时间的延长增速变缓，趋于定速，曲线呈直线平缓上升趋势；在5.5 h内未出现蠕变应变激增现象，蠕变曲线都体现了初始蠕变阶段和等速蠕变阶段的特征。

表 1 函数拟合结果2.2 应力水平的影响依据拟合曲线方程计算得到的竹材蠕变弹性应变、黏弹性应变和黏性应变的分割值见表2。在相同的应力保持时间下，高应力水平下的蠕变初始应变47应 用 研 究 (加载瞬时产生的应变)及各瞬时应变均高于低应力水平下的相应应变值，即随着应力水平的增大，竹材的蠕变总量也逐渐增大。

表 2 蠕变不同组分应变值对竹材施加拉伸应力后，竹材立即产生弹性应变，并且竹材的弹性应变与应力水平成正比关系。不同恒定应力水平下，弹性应变占蠕变总量的比例亦随着应力水平的提高而增大。随后，竹材在恒定拉伸应力作用下产生黏弹性应变，这-阶段黏弹性应变范围为0.15% -0.31%，其占蠕变总量比例趋于减小，应变速率随着时间的推移逐渐减校由表 2可知，在15%的较小拉伸应力下，黏弹性应变较大，随着应力水平的提高，黏弹性应变反而降低，当应力水平达到60%时，黏弹性应变又有所增大，但仍略小于15%应力水平下的黏弹性应变。另-方面，黏弹性应变占蠕变总量的比例总体上随着应力水平的提高-直减小，只有在应力水平为 60%、保持时间为 4.0 h时，其占蠕变总量的比例略有增大。

在蠕变的稳定阶段，黏弹性应变趋向于极限，蠕变主要体现为黏性应变，黏性应变范围为0.14% -0.81%，其占蠕变总量比例亦趋于减校在应力水平由15%加大到60%的过程中，黏性应变及其占蠕变总量的比例呈现明显的跳跃。

在短时间的恒定应力作用下(1.0-2.5 h)，应力水平由 15%加大到60%时，黏弹性应变均大于黏性应变；当应力保持时间延长到4.0-5.5 h，无论应力水平的大小，黏性应变均大于黏弹性应变。这是由于在短时间恒定应力作用下，蠕变主要体现为黏弹性应变，当应力保持时间继续延长时，黏弹性应变增加较48为缓慢并逐渐趋于极限，而黏性应变则随着时间推移继续增大，其占蠕变总量比例逐渐大于黏弹性应变。

2.3 应力保持时间的影响由表 2可知，在相同的恒定应力下，随着应力保持时间的延长，弹性应变虽然呈现间歇式跳跃，但这种变化极小，可认为基本保持不变，因此延长应力保持时间对弹性应变无显著影响。另-方面，随着应力保持时间的延长，弹性应变占蠕变总量的比例逐渐减校对于黏弹性应变，当恒定应力保持时间在 1.0～4.0 h之间，随着应力保持时间的延长，黏弹性应变逐渐增大，到5.5 h，黏弹性应变基本变化不大。另-方面，在 1.0～2.5h内，随着应力保持时间的延长，黏弹性应变占蠕变总量的比例逐渐增加，继续延长应力保持时间，其占蠕变总量的比例开始逐渐减校总体上，黏弹性应变随应力保持时间的延长趋于增大，而其占蠕变总量比例则趋于减小黏性应变则与应力保持时间呈正比关系，无论应力水平的大小，黏性应变均随着应力保持时间的延长而逐渐增大，其占蠕变总量的比例亦随着应力保持时间的延长而逐渐增大。

在相同的应力水平下，当恒定应力作用时间较短时，竹材的黏弹性应变大于黏性应变；当应力保持时间较长时，由于黏弹性应变变化不大，而黏性应变随着应力保持时间的延长持续增大，黏性应变已逐渐大于黏弹性应变。因此，为了使竹材单元获得较大的黏弹性应变，工程上对竹材单元的蠕变预处理在恒定应力下的保持时间可以设定为4 h。

3 结 论(1)竹材的弹性应变及其占蠕变总量的比例随着应力水平的提高而增大；随着应力保持时间的延长，弹性应变基本保持不变，其占蠕变总量的比例则逐渐减校(2)随着应力水平的提高，黏弹性应变首先减小，而后继续增大，但仍小于 15%应力水平下的黏弹性应变，其占蠕变总量的比例则随着应力水平的增大而持续减小；随着应力保持时间的延长，黏弹性应变先增大，随后基本保持不变，其占蠕变总量的比例则是先增大，而后逐渐减校(3)随着应力水平的提高，黏性应变和黏性应变占蠕变总量的比例无明显差异；随着应力保持时间的延长，黏性应变及其占蠕变总量的比例逐渐增大。

(4)勃格模型可比较准确地模拟竹材拉伸短期林业科技开c 2013年第27卷第3期蠕变行为，其相关系数达到99%以上。