基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)的蒙古櫟鋸材干燥端面應(yīng)變規(guī)律研究

蒙古櫟（Quercus mongolica），產(chǎn)自黑龍江省大興安嶺地區(qū)，50年生，基本密度為0.603 g/cm³，鋸切成尺寸為200 mm（長(zhǎng)度）×100 mm（寬度，鋸材端面弦向）×20 mm（厚度，鋸材端面徑向），初含水率約60%，無(wú)缺陷，并用保鮮膜包裹后置于冷藏室保鮮備用。

DHS-225型恒溫恒濕干燥箱：溫度范圍0~150 ℃、均勻度±2 ℃、波動(dòng)度±0.5 ℃，濕度RH范圍30%～98%，溫度在25～80 ℃時(shí)，偏差±2%。

VID-3D非接觸全場(chǎng)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，主要包括兩個(gè)分辨率為2 900萬(wàn)像素、幀率為3~70 fps的立體攝像機(jī)，一個(gè)集成發(fā)光二極管(LED)光源，一個(gè)三腳架，一臺(tái)計(jì)算機(jī)。將兩個(gè)攝像頭安裝在一個(gè)水平桿上，以合適的角度和距離聚焦在試件的端面。在測(cè)量過(guò)程中，LED燈放置在適當(dāng)?shù)奈恢谜樟猎嚰?。攝像機(jī)透過(guò)干燥箱玻璃進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝。

數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法是以試驗(yàn)對(duì)象物體表面圖像的灰度信息為分析基礎(chǔ)，使用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)彩色圖像處理技術(shù)，將試驗(yàn)檢測(cè)的物體表層變形前后圖像的灰度信息進(jìn)行對(duì)比分析，從而無(wú)接觸式測(cè)量變形前后的全場(chǎng)位移和應(yīng)變情況。為了使試件表面具有較為明顯的灰度梯度特征，試驗(yàn)前在測(cè)試對(duì)象被測(cè)表面上噴涂白漆和散斑設(shè)置處理，并將表面上這些隨機(jī)分布的散斑點(diǎn)作為信息傳播載體，通過(guò)追蹤變形前后時(shí)間段內(nèi)散斑圖像中形狀相同的散斑點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)公式算法計(jì)算，最終得出試件表面的變形場(chǎng)。

1.3.1　試件散斑點(diǎn)制作

選取處于相鄰位置、材質(zhì)相近、尺寸相同的鋸材進(jìn)行試驗(yàn)。在測(cè)試之前，鋸材的測(cè)試端面須經(jīng)過(guò)拋光和噴漆處理，以產(chǎn)生隨機(jī)的黑色散斑圖案來(lái)提高光學(xué)測(cè)量的準(zhǔn)確性。預(yù)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，漆膜厚度1 mm時(shí)，鋸材干燥速率、含水率分布與對(duì)照材相比，未出現(xiàn)差異；為得到良好的空間分辨率，噴出的散斑點(diǎn)大小應(yīng)盡量一致，尺寸大小為5~10個(gè)像素（圖1b）；當(dāng)散斑點(diǎn)的尺寸小于3個(gè)像素（圖1c）時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法分析。

圖1  散斑點(diǎn)質(zhì)量示意

Fig.1  Schematic diagram of scattered spot quality

1.3.3　干燥過(guò)程監(jiān)測(cè)

干燥過(guò)程中，兩臺(tái)攝像機(jī)以2 min和3 min的預(yù)設(shè)間隔分別采集DIC檢測(cè)鋸材的端面圖像，直至鋸材含水率達(dá)到10%左右。定期取出含水率檢測(cè)鋸材稱(chēng)重計(jì)算實(shí)時(shí)含水率，稱(chēng)重后放回干燥箱原位繼續(xù)干燥；當(dāng)含水率檢測(cè)鋸材的含水率分別為60%、20%、10%時(shí)（30%含水率時(shí)，鋸材端面含水率梯度并不明顯，效果不理想，因此未檢測(cè)），取出含水率檢測(cè)鋸材，沿纖維方向截取約20 mm厚含水率分布試片，之后進(jìn)行端面噴漆，再置于干燥箱原位繼續(xù)干燥（每組進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)）。

含水率分布試片截取方式如圖2所示，寬度方向5等分，厚度方向3等分，稱(chēng)量各試片當(dāng)時(shí)質(zhì)量及烘至絕干后的質(zhì)量，求取含水率分布，之后將數(shù)據(jù)輸入Origin矩陣工作簿中，通過(guò)差分運(yùn)算得到含水率分布等高線圖。采用VIC-3D9分析軟件和基于DIC原理的VIC-Snap圖像采集軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析處理。

圖2  含水率試片分解示意圖

Fig.2  Profile of the specimens for the moisture content test

在應(yīng)變分析中，將鋸材端面沿厚度方向均勻劃分出五條直線，分別標(biāo)注為E_T0-E_T4（圖3a），以此數(shù)值代表厚度方向上五個(gè)層的應(yīng)變。

圖3  鋸材干燥端面應(yīng)變分布分析區(qū)域劃分

Fig.3  Analysis area of the dry strain distribution in the cross-section of the testing boards

寬度方向同樣均勻劃分出五條直線，分別標(biāo)注為E_R0-E_R4，以此數(shù)值代表寬度方向上五個(gè)層的應(yīng)變，分析干燥過(guò)程中端面應(yīng)變分布的變化規(guī)律。

鋸材在厚度方向上5個(gè)層的應(yīng)變趨勢(shì)接近，故劃分三條直線，分別標(biāo)注為E_T0'-E_T2'（圖3b），從而得出干燥工藝（溫度）與鋸材干縮異向性之間的聯(lián)系。

不同干燥溫度時(shí)鋸材端面的含水率分布如圖4所示。2種干燥工藝下的鋸材含水率分布呈現(xiàn)中間高，兩側(cè)低的趨勢(shì)。理論上，含水率分布決定應(yīng)變分布，但由于木材性質(zhì)的各異向性，導(dǎo)致應(yīng)變分布十分復(fù)雜。

圖4  不同干燥階段的含水率分布

Fig.4  Distribution of moisture contents at different stages of the drying process

不同溫度干燥鋸材的應(yīng)變分布結(jié)果，見(jiàn)圖5和圖6。

圖5  干燥過(guò)程中不同階段的寬度方向應(yīng)變分布

Fig.5  Strain distribution in width direction at different stages of the drying process

圖6  干燥過(guò)程中不同階段的厚度方向應(yīng)變分布

Fig.6  Strain distribution in thickness direction at different stages of the drying process

干燥初期，端面寬度與厚度方向應(yīng)變值均較小，鋸材收縮不明顯；隨著干燥進(jìn)行，鋸材水分散失，應(yīng)變分布呈外大內(nèi)小的規(guī)律，平均含水率降到30%、20%、10%時(shí)，80 ℃和40 ℃時(shí)，鋸材端面兩側(cè)寬度方向應(yīng)變最大值分別為－0.086、－0.088、－0.093和－0.067、－0.072、－0.074；厚度方向應(yīng)變最大值分別為－0.077、－0.098、－0.107和0.055、－0.054、－0.054（正、負(fù)數(shù)值代表鋸材膨脹與收縮）。80 ℃時(shí)，中間與兩側(cè)之間應(yīng)變差最大值為－0.059；40 ℃時(shí)，差值僅為－0.042。80 ℃與40 ℃的趨勢(shì)相同，即寬度方向應(yīng)變值相近，上表層稍大，但應(yīng)變總體值高于40 ℃。

造成上述應(yīng)變規(guī)律現(xiàn)象的原因主要與含水率分布有關(guān)。干燥初期，高含水率鋸材幾乎不出現(xiàn)收縮，應(yīng)變值可以忽略不計(jì)。隨著干燥的進(jìn)行，鋸材兩側(cè)含水率率先降至纖維飽和點(diǎn)以下并開(kāi)始收縮，鋸材中間含水率下降速度慢，應(yīng)變變化較小，所以全場(chǎng)應(yīng)變呈現(xiàn)兩側(cè)大，中間小但分布相對(duì)均勻的規(guī)律（數(shù)值比較接近，整體顏色較一致）。

隨著含水率的進(jìn)一步下降，芯層（端面中心位置定義為芯層、上下表面定義為表層）含水率逐漸達(dá)到纖維飽和點(diǎn)以下，開(kāi)始收縮。此時(shí)，導(dǎo)致芯層應(yīng)變分布不再均勻，并逐漸增大，最大值為0.093。芯層的收縮，緩和了表層長(zhǎng)時(shí)間受力的狀態(tài)；到干燥后期，芯層一直處于收縮狀態(tài)，而表層已收縮完畢，此時(shí)芯層的形變較大。而不同溫度的影響主要體現(xiàn)在水分下降速率上，最終導(dǎo)致鋸材不同層的含水率分布差異增大，增加了應(yīng)變規(guī)律的復(fù)雜性。

總之，上述DIC形變分布規(guī)律（應(yīng)變兩側(cè)大中間小的規(guī)律），與傳統(tǒng)干燥應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果相符；與此同時(shí)，所獲非接觸、實(shí)時(shí)的場(chǎng)應(yīng)變分布信息，進(jìn)一步揭示了木材干燥應(yīng)變規(guī)律，從而可以根據(jù)該方法確定芯表層最大應(yīng)變出現(xiàn)的時(shí)機(jī)，為后期進(jìn)行濕熱處理降低干燥應(yīng)力-應(yīng)變峰值提供基礎(chǔ)，對(duì)優(yōu)化常規(guī)干燥工藝、實(shí)現(xiàn)快速高品質(zhì)干燥具有重要意義。

鋸材產(chǎn)生應(yīng)變主要受含水率分布與材性差異的影響。由2.1節(jié)可知，鋸材端面應(yīng)變分布十分復(fù)雜，實(shí)時(shí)、定量分析整個(gè)端面應(yīng)變規(guī)律極為困難；為此，本研究主要提取端面不同位置進(jìn)行定量表征及分析。圖7為不同干燥溫度下，鋸材端面上不同部位的寬度、厚度方向應(yīng)變。

圖7  干燥溫度對(duì)鋸材端面寬度和厚度方向干燥應(yīng)變分布的影響

Fig.7  Effect of drying process on drying strain distribution in the direction of width and thickness of the specimen end face

40和80 ℃時(shí)，鋸材寬度與厚度的方向應(yīng)變呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。其中厚度方向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)相同，最終趨于一致；而寬度方向略有差異，E_T0部位應(yīng)變值一直高于其他部位，且鋸材寬度與厚度方向80 ℃應(yīng)變數(shù)值一直高于40 ℃。

造成上述現(xiàn)象的原因仍然與含水率變化及材性差異有關(guān)。由于木材的弦向干縮明顯高于徑向（2∶1），導(dǎo)致鋸材沿寬度方向的變化規(guī)律較為復(fù)雜，不同層間的寬度方向差異隨含水率變化波動(dòng)較大；與之相對(duì)的各層厚度方向干縮應(yīng)變差異較小，各層變化較一致。

而溫度的影響主要體現(xiàn)在含水率下降速率上。溫度導(dǎo)致了表芯層含水率差異增加，因此，增加了寬度與厚度方向的應(yīng)變數(shù)值。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，在溫度的影響下，在80 ℃時(shí)表層（E_T0）的應(yīng)變數(shù)值，明顯高于其他層；40 ℃時(shí)的變化與其他層變化相近。而E_T0與E_T4、E_T1與E_T3應(yīng)變數(shù)據(jù)有差異，原因可能與木材結(jié)構(gòu)差異有關(guān)。

木材結(jié)構(gòu)呈非均質(zhì)性與各向異性的特點(diǎn)，雖然上述位置在端面呈對(duì)稱(chēng)性分布（理論上形變受水分變化影響相同），但所處木材位置不同（即靠髓心位置不同），為此，導(dǎo)致形變隨含水率變化時(shí)，出現(xiàn)一定差異。

圖8為鋸材寬度、厚度方向干縮率比值。

圖8  鋸材寬度、厚度方向干縮率比值

Fig.8  Shrinkage in the width and thickness direction of Quercus mongolica wood panels

由圖8可知，干燥前期（小于600 min），E_T0'的波動(dòng)范圍，40 ℃時(shí)在-12～12內(nèi)，80 ℃時(shí)在-5～3內(nèi)；E_T1'的波動(dòng)范圍，40 ℃時(shí)在-10～12，80 ℃時(shí)在-2～2；E_T2'的波動(dòng)范圍，40 ℃時(shí)在-5～8，80 ℃時(shí)在-4～4；隨著干燥的進(jìn)行，干縮差異波動(dòng)逐漸縮小，但仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。干燥后期（大于600 min），40 ℃時(shí)，E_T0'、E_T1'、E_T2'波動(dòng)范圍都在0.8～1.2內(nèi)，幾近相同；80 ℃時(shí)，波動(dòng)范圍在0.6～0.8內(nèi)，仍有上升趨勢(shì)。分析表明寬度方向不同部位存在干縮異向性差異，這也是導(dǎo)致鋸材干燥前期出現(xiàn)開(kāi)裂的主要原因。