图谱融合下的复合正交层积木力学性能数值模拟及其响应机制

The research on composite cross-laminated timber has vital significance in terms of high efficiency utilization of inferior wood resources. Current CLT almost use imported high-quality timber, designers and the researchers did not pay attention to individual differences and quality of sawn timber. Features of the CLT sawn timber which related to the mechanical properties is very limited yet. The structure-activity mechanism and relationship between the element feature and CLT mechanical properties is unclear. The project is based on multidimensional spectra fusion technology and the theory of finite element analysis, use common plantation in China as element timber, obtain image and spectrum information of the element timer, discuss the multi-dimensional expression and efficient integration method, build multidimensional spectrum data visualization numerical analysis model, and explain the critical energy release rule, thus illustrating mechanical response mechanism for the cross-laminated timber. Research results will improve the utilization of plantation resources in our country, and establish theory basis for high quality wood composite materials.

面向人工林低质材资源的复合正交层积木(CLT)力学性能研究对于我国低质材高效、低成本大规模利用具有重要意义。现有CLT研究多采用进口优质木材，相关研究并没有关注锯材原料的个体差异性和质量问题，得到确认的与CLT力学性能相关的锯材原料特征信息非常有限，单元特性与整体力学性能之间的构效关系和作用机理尚不明确。本项目筛选符合我国林木现状的常见人工林木材为锯材原料，应用多维谱图融合技术与有限元分析理论，挖掘图谱信息的多维表达及高效融合机制，建立复合CLT图谱多维数据下的力学性能可视化数值分析系统，剖析复合CLT应力分布及临界能量释放规律，阐明锯材原料特征信息与CLT板材力学性能之间的影响机制，明晰图谱融合下的复合正交层积木力学性能响应机理，解决低质人工林制备高品质林木复合材料过程中的基础科学问题，为人工林低质材资源低成本高值化利用提供坚实的理论基础和技术支撑。

本项目筛选符合我国林木现状的常见人工林木材为锯材原料，利用视觉分析技术对板材表面各点进行标定；使用900-1700nm近红外光谱分析仪进行多面多点的数据采样；利用一阶导数和S-G滤波对近红外光谱数据进行预处理并建立PLS近红外预测模型，预测锯材原料单元的基本力学参数；用多标记学习算法完成了近红外光谱与图像信息处理的多维关联，得到整个锯材原料的光谱图像信息;在ANSYS软件中建立基于实体单元的正交层积木力学仿真模型，并对模型进行平面外弯曲力学性能分析，预测其整体力学性能。该预测模型的校正集相关系数为0.8962，校准标准误差为5.1309，验证集相关系数为0.8508，预测标准误差为5.3370，相对误差为2.2367。仿真实验表明，网格划分密度与最终应力分布关系甚微，而单元材料的排列组合方式是影响应力分布的最主要原因。在仿真实验的基础上项目开展竹木复合正交层积木的制备和测试工作，将铁杉、展平竹单元刨平打磨后，以不同方式组合、施胶、冷压制成100cm*100cm竹木复合正交层积木板共9块，并按照国家标准(GB/T 17657-2013)切割成标准力学测试试件，进行四点弯曲实验得到MOR、MOE。135个试件测试结果表明，仿真实验结果的误差比率小于0.1%。研究表明，通过近红外光谱数据结合有限元力学仿真进行最优化设计，可以显著提高正交复合层积木产品的力学性能。。