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基于概率密度演化方法的古建筑残损木构件可靠度研究

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北京林业大学学报 2023年第2期45卷 139-148页

作者：孙荧戴璐漆楚生北京林业大学木质材料科学与应用教育部重点实验室北京100083

【目的】建立随时间变化的古建筑残损木构件多因子强度退化模型,验证基于概率密度演化方法对残损木构件进行可靠度分析的适用性,提高古建筑残损木构件可靠度分析的计算精度和效率,为古建筑保护中构件力学性能的量化和评估提供科学依据... 详细信息

【目的】建立随时间变化的古建筑残损木构件多因子强度退化模型,验证基于概率密度演化方法对残损木构件进行可靠度分析的适用性,提高古建筑残损木构件可靠度分析的计算精度和效率,为古建筑保护中构件力学性能的量化和评估提供科学依据。【方法】综合考虑长期荷载、腐朽、虫蛀和干缩开裂对木材损伤的影响,借助已有模型和理论,建立木构件多因子损伤时变模型并推导出强度退化模型。以某古建筑木结构的典型柱为例,根据强度退化模型确定影响参数,对残损影响参数进行灵敏度计算及排序,通过设定阈值确定影响构件残损的关键参数,将非关键参数常数化以实现参数的初步降维。通过拉丁超立方法在关键参数的参数域内选点得到1000组代表点,基于强度退化模型计算残余强度变化率,根据概率密度守恒构建概率密度演化方程,利用差分法求解得到残余强度比与随机参数的联合概率密度函数,在随机参数域内积分求得残余强度比随时间变化的概率密度函数,最后将概率密度函数在安全域内积分得到构件可靠度;同时基于蒙特卡罗法随机抽样产生10000组参数数据对残损木柱进行可靠度分析,对比分析两种方法计算出木柱服役时间为1~1000 a时的失效概率。【结果】随服役时间增加,木柱损伤变量逐渐增大,服役时间为1000 a时1000组不同参数值的构件几乎都达到失效界限;概率密度演化曲面中概率最高的残余强度比逐渐减小;构件失效概率随时间增大,即可靠度降低;服役时间为100、300、500、700、900 a的5个节点,蒙特卡罗法和概率密度演化方法计算所得的木柱失效概率差值分别为9.48%、3.92%、6.10%、8.40%、4.40%,在蒙特卡罗法参数取样量更多、计算用时更长的前提下,两者计算所得失效概率差值不超过10%。【结论】建立的多因子强度退化模型可用于木柱残余强度的评估和预测,但仍需要进一步的修正。基于概率密度演化方法对残损木构件进行可靠度分析是可行的,与蒙特卡罗法相比具有更高的效率。

关键词：残损木构件强度退化模型概率密度演化方法可靠度评估

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外源酸催化对木材半纤维素热降解规律的影响

北京林业大学学报 2022年第4期44卷 147-156页

作者：雒翠梅王旭洁母军漆楚生木质材料科学与应用教育部重点实验室北京林业大学材料科学与技术学院北京100083

【目的】高温热处理可使木材半纤维素部分降解,改善木材的尺寸稳定性。使用外源酸可降低木材半纤维素热降解温度,因此有必要明确其热降解规律。【方法】采用碱法分离的方式提取出杨木和杉木的半纤维素,通过傅里叶红外光谱仪和热重分析... 详细信息

【目的】高温热处理可使木材半纤维素部分降解,改善木材的尺寸稳定性。使用外源酸可降低木材半纤维素热降解温度,因此有必要明确其热降解规律。【方法】采用碱法分离的方式提取出杨木和杉木的半纤维素,通过傅里叶红外光谱仪和热重分析法研究引入外源酸条件下(两种外源酸AlCl_(3)和H_(3)PO_(4),每种外源酸的浓度分别为0.1和0.3 mol/L)半纤维素的热降解规律。【结果】碱法分离出的木材半纤维素,其红外谱图符合阔叶材和针叶材半纤维素的基本特征。经AlCl_(3)和H_(3)PO_(4)处理后,相比未处理的半纤维素,羟基峰发生红移,且半纤维素的特征吸收峰强度显著降低。热重分析显示:两种外源酸预处理的木材半纤维素的起始降解温度(T_(5%))从200℃左右降低至95~150℃,且主要降解温度范围从200~300℃降低至100~150℃。在相同浓度下,AlCl_(3)处理后半纤维素的T_(5%)(150℃)大于H_(3)PO_(4)的(95℃)。当AlCl_(3)浓度增大时,半纤维素热分解速率加快,但T_(5%)无明显变化。随H_(3)PO_(4)浓度增大时,半纤维素热分解速率和T_(5%)均减小。相比未处理的杨木半纤维素热解活化能(199.68 kJ/mol)和杉木半纤维素热解活化能(231.12 kJ/mol),AlCl_(3)和H_(3)PO_(4)处理后的热解活化能显著降低。在相同浓度0.3 mol/L的条件下,AlCl_(3)处理后杉木半纤维素的平均活化能(112.31 kJ/mol)要低于H_(3)PO_(4)的(125.82 kJ/mol)。【结论】本研究采用的两种外源酸均可显著降低半纤维素的热降解温度。总体来讲,AlCl_(3)催化效果优于H_(3)PO_(4),杉木半纤维素对H_(3)PO_(4)较为敏感。可根据针、阔叶材半纤维素的差异性选择不同的外源酸性介质作为催化剂,加速热解反应速率,从而为外源酸在木材低温热处理的应用提供一定的理论支撑。

关键词：磷酸路易斯酸催化针叶材阔叶材半纤维素热降解

纤维素及其衍生物在熔融沉积和墨水直写成型3D打印中的研究进展

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中国造纸 2022年第2期41卷 94-103页

作者：沈姿伶侯苏芸漆楚生北京林业大学材料科学与技术学院木质材料科学与应用教育部重点实验室北京100083

3D打印是一种全新的制造方式,具有快速成型和定制的独特优势。纤维素作为世界上最丰富的天然聚合物,与3D打印技术相结合已成为国际研究的热点。本文介绍了纤维素和常见纤维素衍生物的特点与应用领域,根据3D打印方法,分别综述了近年来二... 详细信息

3D打印是一种全新的制造方式,具有快速成型和定制的独特优势。纤维素作为世界上最丰富的天然聚合物,与3D打印技术相结合已成为国际研究的热点。本文介绍了纤维素和常见纤维素衍生物的特点与应用领域,根据3D打印方法,分别综述了近年来二者在熔融沉积成型(FDM)和墨水直写成型(DIW)中的研究进展。

关键词：纤维素熔融沉积成型墨水直写成型 3D打印纳米纤维素纤维素衍生物

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热处理温度和时间对杉木质量损失和静曲强度的影响

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北京林业大学学报 2020年第10期42卷 137-144页

作者：张静漆楚生母军木质材料科学与应用教育部重点实验室北京林业大学材料科学与技术学院北京100083

[目的]热处理可以改善木材的尺寸稳定性,同时会降低木材质量并影响木材力学性能,有必要探明热处理对木材质量和力学性能的作用机制。[方法]本研究选用人工林杉木薄片作为试验材,在160、180、200、220℃及氮气环境下分别处理1、2、3、4、... 详细信息

[目的]热处理可以改善木材的尺寸稳定性,同时会降低木材质量并影响木材力学性能,有必要探明热处理对木材质量和力学性能的作用机制。[方法]本研究选用人工林杉木薄片作为试验材,在160、180、200、220℃及氮气环境下分别处理1、2、3、4、5、6h,测试处理后木材的质量损失率(mL)和静曲强度(MOR),采用ATR-FTIR、TGA进行表征,并建立热处理杉木质量损失率和静曲强度的预测模型。[结果]热处理温度低于200℃时,温度比时间对杉木质量损失率和力学性能的影响更显著。当热处理温度高于200℃时,温度和时间对质量损失率和力学性能均有显著性影响。热处理杉木的质量损失率随热处理温度升高和时间延长呈非线性增加,质量损失率范围在0.2%~17.6%之间,其预测模型为lnmL=0.8lnt+9.35lnT-53.67(t为时间,T为温度),R2为0.99,试验测试值与模型预测值基本一致。杉木的MOR随热处理温度升高和热处理时间延长线性降低,与未处理杉木相比,MOR降低了4.4%~74.8%,其预测模型为MOR=-2.57t-0.82T+220.44,R2为0.93,该模型总体预测效果较好。热处理杉木MOR随质量损失率增加呈指数下降,两者关系模型为MOR=65.4e^-20mL+16.4,R2为0.95,此模型能够预测MOR随质量损失率的非线性变化趋势。[结论]通过试验数据建立了杉木的质量损失率与热处理条件,MOR与热处理条件,质量损失率与MOR之间的经验方程,可预测热处理木材质量损失和MOR的变化趋势,为木材热处理工艺的优化和热处理木材性能预测提供参考和依据。

关键词：热处理杉木质量损失力学性能预测模型

热处理对木材多尺度结构及力学性能的影响研究现状

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材料导报 2023年

作者：王旭洁雒翠梅母军漆楚生木材科学与工程北京市重点实验室北京林业大学材料科学与技术学院木质材料科学与应用教育部重点实验室(北京林业大学)

热处理是一种改善木材尺寸稳定性的重要方法，同时会引起木材多尺度结构变化，进而影响热处理材的微宏观力学性能。本文从纳米、微米、毫米三个尺度总结了热处理对木材结构单元及力学性能的影响。在纳米尺度，热处理过程中木材半纤维素... 详细信息

热处理是一种改善木材尺寸稳定性的重要方法，同时会引起木材多尺度结构变化，进而影响热处理材的微宏观力学性能。本文从纳米、微米、毫米三个尺度总结了热处理对木材结构单元及力学性能的影响。在纳米尺度，热处理过程中木材半纤维素大量降解导致其作为界面偶联剂的基质特性被破坏；纤维素的羟基与半纤维素降解产生的有机酸发生酯化反应，其分子间氢键以及与半纤维素连接的氢键大量断裂，引起分子链断裂，削弱了半纤维素与纤维素之间的结合强度；多糖解聚引起木质素相对含量变化，木质素自缩聚反应以及与多糖降解产物发生的交联反应是热处理后细胞壁基质力学性能变化的重要因素。在微米尺度，热处理木材细胞壁胞间层出现裂缝，各细胞间产生分离，微纤丝的定向排列规律性下降、倾角增大，沿微纤丝长度方向断裂，进而引起细胞壁力学强度明显下降。在毫米尺度，热处理材的横切面上早晚材由方形、圆形变成椭圆形，其中早材开裂较多；径切面上管胞和导管的胞壁变形开裂，随着热处理程度增加，胞壁出现垂直轴向断裂、纹孔破坏、木射线开裂等现象，射线薄壁细胞大量破坏，进而引起木材的载荷承载能力下降。本文可以为深入研究热处理对木材各尺度结构及力学性能的影响机制提供参考。

关键词：木材热处理多尺度结构力学性能

魔芋粉-壳聚糖-聚乙烯醇共混胶黏剂的性能及其胶合机理

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农业工程学报 2010年第5期26卷 373-378页

作者：顾蓉郭康权漆楚生张佳刘钊西北农林科技大学机械与电子工程学院杨凌712100 陕西省农业装备工程技术研究中心杨凌712100

为了提高魔芋粉的利用价值,开发环境友好型木材胶黏剂,以魔芋葡甘聚糖、壳聚糖为胶黏剂主料,添加聚乙烯醇制备三元共混胶黏剂。通过差示扫描量热法(DSC),分析共混胶的热特性,确定了热压温度参数;采用正交试验法,探讨热压工艺参数对胶合... 详细信息

为了提高魔芋粉的利用价值,开发环境友好型木材胶黏剂,以魔芋葡甘聚糖、壳聚糖为胶黏剂主料,添加聚乙烯醇制备三元共混胶黏剂。通过差示扫描量热法(DSC),分析共混胶的热特性,确定了热压温度参数;采用正交试验法,探讨热压工艺参数对胶合板强度的影响,并进一步对比了二元共混胶和三元共混胶的强度;通过红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)进行了微观结构分析。结果表明:在热压温度130℃,热压时间15min,压力4MPa,胶存放时间24h的条件下,用该胶黏剂压制的胶合板,干湿状胶合强度最大;FTIR分析发现3种高分子之间存在着氢键等强烈的相互作用;SEM分析表明三元共混胶黏剂中存在网状结构,使胶合强度得到提高。研究结果为加速环保木材胶黏剂研发进程和完善加工工艺条件提供了科学依据。

关键词：聚乙烯醇胶黏剂胶合强度魔芋粉壳聚糖正交试验

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棉秆束/高密度聚乙烯定向复合板制备

农业工程学报 2010年第12期26卷 265-270页

作者：漆楚生郭康权顾蓉刘艳妍西北农林科技大学机械与电子工程学院杨凌712100 陕西省农业装备工程技术研究中心杨凌712100 青岛农业大学理学与信息科学学院青岛266109

为了有效利用废弃棉秆资源,该文采用热塑性高密度聚乙烯塑料作为填充料,将疏解的棉秆束定向铺装热压制成复合板。利用热重分析仪分析了棉秆的热解特性,采用正交试验的方法分析了复合板密度、塑料质量分数、热压温度、热压时间对复合板... 详细信息

为了有效利用废弃棉秆资源,该文采用热塑性高密度聚乙烯塑料作为填充料,将疏解的棉秆束定向铺装热压制成复合板。利用热重分析仪分析了棉秆的热解特性,采用正交试验的方法分析了复合板密度、塑料质量分数、热压温度、热压时间对复合板力学性能的影响;用扫描电镜观察到棉秆纤维与高密度聚乙烯复合界面存在机械啮合结构。通过试验得到制备定向复合板的较优热压工艺参数为:复合板密度0.8g/cm3,塑料质量分数50%,热压温度168℃,热压时间17min。在此工艺条件下,复合板的静曲强度、弯曲弹性模量和内结合强度分别达到31.51、4561.25和0.52MPa,超过定向刨花板OSB/1的标准值。

关键词：高密度聚乙烯热解秸秆界面结构定向复合板

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库尔勒香梨不同膨压水平下的动态粘弹特性

农业机械学报 2010年第9期41卷 113-117页

作者：吴杰郭康权顾蓉张佳漆楚生西北农林科技大学机械与电子工程学院陕西杨凌712100 石河子大学机械与电气工程学院石河子832003

对经过不同浓度蔗糖溶液渗透处理后具有高、低和正常3种膨压水平的库尔勒香梨果肉进行振荡剪切试验和蠕变试验,以考察膨压水平对香梨果肉组织粘弹特性的影响。结果表明,不同膨压香梨果肉在各频域内的储能模量(G′)均远大于损耗模量(G″)... 详细信息

对经过不同浓度蔗糖溶液渗透处理后具有高、低和正常3种膨压水平的库尔勒香梨果肉进行振荡剪切试验和蠕变试验,以考察膨压水平对香梨果肉组织粘弹特性的影响。结果表明,不同膨压香梨果肉在各频域内的储能模量(G′)均远大于损耗模量(G″),且变化都不受频率影响,但均随膨压提高呈增大趋势。同时,不同膨压香梨果肉的蠕变响应可采用六元件广义Kelvin-Voigt模型精确拟合,模型中的瞬时弹性柔量(J0)、延迟弹性柔量(J1和J2)和稳态粘性柔量(1/η0)均随着膨压下降而增大。果肉组织扫描电镜观察表明,各粘弹参数(G″、G′、J0、J1、J2、1/η0)的显著变化与膨压调控引起的细胞结构和胞间隙变化有直接关系。

关键词：库尔勒香梨细胞膨压动态粘弹特性

葡甘聚糖-壳聚糖-聚乙烯醇复合胶黏剂的流变特性

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复合材料学报 2011年第1期28卷 37-42页

作者：顾蓉张佳郭康权吴杰漆楚生西北农林科技大学机械与电子工程学院杨凌712100 石河子大学机械与电气工程学院石河子832003

为开发环境友好型木材胶黏剂,利用差示扫描量热法(DSC)和流变仪分析了葡甘聚糖、壳聚糖、聚乙烯醇共混胶黏剂的热固化过程和流变特性。结果表明:三元共混胶黏剂的流变特性呈明显的非线性,黏度与剪切速率的关系可用Cross模型拟合,黏度与... 详细信息

为开发环境友好型木材胶黏剂,利用差示扫描量热法(DSC)和流变仪分析了葡甘聚糖、壳聚糖、聚乙烯醇共混胶黏剂的热固化过程和流变特性。结果表明:三元共混胶黏剂的流变特性呈明显的非线性,黏度与剪切速率的关系可用Cross模型拟合,黏度与温度的关系可用Arrhenius方程拟合,前置因子K为1.25×10-6Pa.s,流动活化能为54.24 kJ/mol,频率曲线可用四阶多项式拟合,同时可得到胶黏剂的平均分子量随温度升高逐渐降低,分子量分布随着温度升高逐渐增大。温度和时间扫描得到凝胶化温度110.4℃,凝胶时间20.1 min,玻璃化转变温度87.4℃,加热温度130℃。

关键词：葡甘聚糖壳聚糖聚乙烯醇胶黏剂流变特性 DSC Arrhenius