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林业工程学报 2022年第6期7卷 67-73页

作者：韩健赵涛刘朝政李万兆梅长彤南京林业大学材料科学与工程学院南京210037 南京林业大学林业资源高效加工利用协同创新中心南京210037

木基缠绕管道是以木材为结构层、纤维增强树脂复合材料为内衬层和外防护层的新型绿色低碳输送管道,但其制备工艺还不成熟。由于木基缠绕管道的结构层材料为无纺布增强杨木单板带,且结构层的物理力学性能对木基缠绕管道尤为重要,所以笔... 详细信息

木基缠绕管道是以木材为结构层、纤维增强树脂复合材料为内衬层和外防护层的新型绿色低碳输送管道,但其制备工艺还不成熟。由于木基缠绕管道的结构层材料为无纺布增强杨木单板带,且结构层的物理力学性能对木基缠绕管道尤为重要,所以笔者以木基缠绕管的结构层(不包括内外保护层)为对象,研究木基缠绕管道结构层的制备工艺。使用10和16 cm宽无纺布增强杨木单板带和酚醛树脂、环氧树脂制备4种类型木基缠绕管道的结构层,评价了含水率对无纺布增强单板带拉伸强度的影响,对比了2种胶黏剂在增强单板带上的动态接触角,基于单板带宽与缠绕角度存在数学关系,单板带宽10与16 cm分别对应缠绕角度6.09°与9.78°,分析了缠绕角度和胶黏剂类型对木基缠绕管道结构层的环刚度、环向拉伸强度及轴向拉伸强度的影响,测试了4种木基缠绕管道结构层的耐水性能。结果显示,无纺布增强单板带接长处比非接长处的拉伸强度小,单板带拉伸强度与含水率呈负相关,制备木基缠绕管道结构层时增强单板带含水率不宜高于12%。环氧树脂比酚醛树脂制备的木基缠绕管道结构层的环刚度、环向拉伸强度及轴向拉伸强度大,缠绕角度从6.09°增加到9.78°时,木基缠绕管道结构层的环刚度和环向拉伸强度降低,轴向拉伸强度提高。制备的4种木基缠绕管道结构层均能满足Ⅱ类胶合板的耐水性能要求,为优化新型速生杨木基缠绕输送管道的生产工艺提供数据参考和理论依据。

关键词：木基缠绕管道单板带胶黏剂力学性能

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木基缠绕压力输送管道制备及性能研究

木基缠绕压力输送管道制备及性能研究

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作者：武洁国南京林业大学

学位级别：硕士

管道输水是给排水工程中最常用的输水手段,具有施工便捷、输送效率高、沿途损耗少和环境破坏小等诸多优点。传统的输水管道包括混凝土管、金属管、塑料管等,传统的输水管道都存在着不同程度的能耗高、成本高、耐老化性能差等各种缺点,... 详细信息

管道输水是给排水工程中最常用的输水手段,具有施工便捷、输送效率高、沿途损耗少和环境破坏小等诸多优点。传统的输水管道包括混凝土管、金属管、塑料管等,传统的输水管道都存在着不同程度的能耗高、成本高、耐老化性能差等各种缺点,因此开发节能环保的新型输水管道,对促进我国水利工程建设和生态资源建设具有重要意义。本论文以人工速生杨木单板为基本构造单元,通过缠绕工艺研制木基缠绕压力输送管道,系统研究了适用于木基管道缠绕工艺的韧性优良的生物质基中低温固化胶粘剂的制备工艺,杨木单板缠绕层数（结构层厚度）对管道的环刚度、环向拉伸强度和渗水压的影响规律;研制了小型木基缠绕管道生产设备;试验分析了冷热循环处理对管道结构层与内外保护层界面的影响规律。研究结论如下:（1）本论文利用花生壳液化物,通过共聚改性酚醛树脂来制备高固体含量的改性酚醛树脂胶粘剂,采用单因素试验法研究分析花生壳液化产物与甲醛的摩尔比,两者的反应时间和温度对树脂性能的影响。经过试验研究发现,制备花生壳液化树脂的最佳工艺是甲醛与花生壳液化物的摩尔比为1.2,反应温度为85°C,反应时间为120 min。这个条件下制备的花生壳液化树脂,粘度不会过大,流动性和稳定性较好,满足缠绕管道对胶粘剂的使用要求。（2）为了探究木基缠绕管道结构层层数对环向拉伸强度的影响规律,利用万能力学试验机对不同结构层层数的木基缠绕管道进行力学试验。结果表明:6层结构层的木基缠绕管道的平均环向拉伸强度为19.21 MPa,8层结构层的木基缠绕管道的平均拉伸强度为19.84 MPa,10层的结构层的木基缠绕管道平均拉伸强度为23.34 MPa,12层的结构层的木基缠绕管道平均拉伸强度为27.69 MPa。由拉伸—位移曲线可知,刚开始拉伸的时候,拉伸曲线图上曲线的斜率表现为逐渐增大,随着拉力载荷的增大,夹具与试样充分贴合,没有空隙,拉伸曲线有显著的弹性变形阶段。随着管道的结构层层数增加,环向拉伸强度也表现为逐渐增大的趋向,其中,当结构层层数从10层增加到12层时,环向拉升强度的增幅最大,达到了18.6%。（3）为了探究不同结构层层数的木基缠绕管道对环刚度的影响规律,对木基缠绕管道进行力学试验分析,其中6层结构层管道的环刚度均值的8385.12 N/m2,8层结构层管道的环刚度均值为11139.01 N/m2,10层结构层管道的环刚度均值为14464.89 N/m2,12层结构层的环刚度均值为23954.37 N/m2。各个结构层的管道的环刚度载荷—位移曲线显示在管径开始变化的时候,管道形变属于弹性形变。木基缠绕管道测试环刚度时所承受的最大荷载随着结构层增加而增大,环刚度也随着结构层层层数的增加而显著增大。其中,当结构层从10层增加到12层时,环刚度的增幅最大,为65.6%。（4）对不同结构层层数的管道进行静水压保压试验,分析不同结构层层数对木基缠绕管道的影响。在试验压力为压力等级的1.5倍,保压2 min后,各个层数的木基管道管体和连接部位都没有发生渗漏现象。管道内水压随着结构层层数增大而增大,且加压时间也呈增大趋势,层数为6、8、10、12层结构层的管道的内水压为2.05 MPa,2.56 MPa,3.08MPa,3.68 MPa。（5）在对复合材料层合板界面进行冷热循环处理后,对冷热循环处理后的复合材料层合板的层间界面进行SEM表征,试验发现少量的冷热循环不会对复合材料层合板界面造成影响,只有循环次数增加到30次时,冷热循环后界面才会出现微小裂纹。（6）通过冷热循环试验,分析复合材料层合板的剪切强度和层剪强度的影响规律,经过试验研究发现复合层压板的界面层的剪切强度先增加,然后降低,当冷热循环达到20次时达到最大值。在经受了30次冷热循环后,复合材料的界面剪切强度为22.6 MPa。随着冷热循环次数的不断增加,复合材料层合板的弯曲强度先增加,后减小,在30次冷热循环后,复合材料的弯曲强度依然高达131.4 MPa。

关键词：花生壳液化树脂木基缠绕管道力学性能冷热循环界面结合

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木基缠绕压力输送管道力学性能的模型表征

木基缠绕压力输送管道力学性能的模型表征

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作者：候兴爱南京林业大学

学位级别：硕士

利用人工速生林木材比强度大、保温抗震、可再生等天然特性,研究木材仿生缠绕加工利用新技术,开发具有优良保温、抗震、防腐等性能的高强度压力输送管,为水利工程和城市地下管网建设提供环境友好型的新型压力输送管道。根据缠绕特性设... 详细信息

利用人工速生林木材比强度大、保温抗震、可再生等天然特性,研究木材仿生缠绕加工利用新技术,开发具有优良保温、抗震、防腐等性能的高强度压力输送管,为水利工程和城市地下管网建设提供环境友好型的新型压力输送管道。根据缠绕特性设计了两种类型的复合板带,研究了复合板带的破坏形式、泊松比、弹性模量和拉伸强度,根据偏轴角公式和Hankinsion公式研究两种复合板带偏轴拉伸弹性模量和泊松比,基于Hankinsion公式、最大应力强度准则以及蔡-希尔强度准则研究两种复合板带偏轴拉伸强度。根据结构层复合板带的缠绕方式和缠绕角制备层合板研究管道结构层的力学性能。根据内衬层和外防护层的缠绕方式制备平板,与结构层的层合板制成夹心层合板,研究其力学性能,基于ANSYS有限元软件模拟结构层层合板和夹心层合板的力学性能。检测管道的环刚度、耐腐蚀性,基于ANSYS有限元软件模拟管道的环刚度试验,以复合板带的厚度和弹性参数、缠绕角度、内衬层的厚度和弹性参数、外防护层的厚度和弹性参数为主要输入变量,将模拟结果与试验值进行对比,分析误差。研究成果如下:（1）基于木基缠绕管道的缠绕单元、缠绕方式和结构层的特点,建立木基缠绕管道的结构层、内衬层和外防护层的刚度预测公式,根据刚度叠加原理,建立管道整体结构的刚度预测公式,并编辑计算程序。（2）未加纤维布的正交复合板带的偏轴拉伸弹性模量的试验值与Hankinsion公式的预测值误差较大,偏轴角公式可以准确预测木基缠绕管用复合板带在偏轴拉伸下的弹性模量的变化规律;纤维布的加入后,使弹性模量随偏轴角的变化更加复杂,导致偏轴角公式很难准确预测其弹性模量的变化;通过数值拟合的二次函数可以准确的预测正交复合板带泊松比实际变化趋势和泊松比数值;蔡-希尔强度准则可以准确的预测正交复合板带拉伸强度的变化规律,纤维布的加入,最大应力强度准则和蔡-希尔强度准则的预测值低于试验值且误差较大,因此不能准确预测其拉伸强度的变化。（3）斜交复合板带轴向弹性模量的试验值可以通过Hankinsion公式预测;偏轴角公式预测值能更加准确预测斜交复合板带环向弹性模量;通过拟合的二次函数可以精确的预测斜交复合板带轴向泊松比实际的变化趋势和泊松比数值,通过拟合的三次函数可以精确的预测斜交复合板带环向泊松比实际变化趋势和泊松比数值;Hankinsion公式和蔡-希尔强度准则能较为准确预测斜交复合板带轴向拉伸强度,蔡-希尔强度准则能够更加精确预测斜交复合板带的环向拉伸强度。（4）正交层合板的轴向弹性模量和环向弹性模量随着缠绕角的增大逐渐增大,且在不同的缠绕角下,环向弹性模量均小于轴向弹性模量;斜交层合板轴向的弹性模量始终大于环向弹性模量,斜交层合板的轴向弹性模量随偏轴角的增大逐渐降低,环向弹性模量随偏轴角的增大逐渐增大。在不同缠绕角下,斜交层合板的的轴向弹性模量大于正交层合板的轴向弹性模量,斜交层合板的的环向弹性模量大于正交层合板的环向弹性模量,随着缠绕角的增大,两种层合板弹性模量的差逐渐减小。正交夹心板和斜交夹心板的环向弹性模量随缠绕角的增大逐渐增大,夹心层合板随缠绕角的变化不是非常显著。用ANSYS有限元软件对正交层合板和正交夹心层合板的环向弹性模量进行模拟分析,环向弹性模量的ANSYS模拟值与试验值的相关性优于理论值,且试验值高于模拟值,模拟值高于理论值。（5）木基缠绕管道环刚度的均值为4461 N/m2,平均误差为7.5%。计算值和试验值均在试验值范围内,与试验值的平均值相比,计算值的误差为0.9%,模拟值的误差为9.6%。木基缠绕管道的环刚度随着缠绕角的增大呈先减小后变大的趋势。木基缠绕管道的环刚度随着缠绕层数的增大逐渐增大。在质量分数为30%硫酸溶液中,拉伸强度、拉伸模量和弯曲强度、弯曲模量的保留率为50%时,对应的寿命分别为357 d、1512 d和481 d和817 d。在质量分数为10%氢氧化钠溶液中,拉伸强度、拉伸模量和弯曲强度、弯曲模量的保留率为50%时,对应的寿命分别为368 d、1479d和816 d和480 d,因此木基缠绕管道不适合输送强酸强碱介质。

关键词：木基缠绕管道复合板带力学性能有限元预测模拟

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