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實木彎曲是最早應(yīng)用于家具制造業(yè)中的木材彎曲成型技術(shù)，早在160多年前，德國木匠Michael Zhonet就制造了第一張實木彎曲成型的椅子。從那時起，這種工藝在家具制造業(yè)中就得到了廣泛的應(yīng)用，第二次世界大戰(zhàn)時，這種彎曲木還應(yīng)用于飛機制造業(yè)和高要求的建筑構(gòu)件上。木材軟化和彎曲機制也成為研究的重要內(nèi)容，我國目前主要采用蒸煮法軟化木材，然后用手工或機械法彎曲成規(guī)定形狀，再進行干燥和定型。彎曲后構(gòu)件的強度是決定其應(yīng)用的主要因素，采用有限元分析的方法將通過與銑削成型的彎曲木構(gòu)件對比以證明其高強度性。彎曲形狀的木制品構(gòu)件一般有2種加工方法：彎曲成型加工和銑削加工。彎曲成型法是將彎曲原料經(jīng)過高溫高壓處理后加壓彎曲成型的方法；銑削加工法是用細木工帶鋸等加工設(shè)備鋸割成設(shè)計的曲線形構(gòu)件，再經(jīng)過銑削加工成型。加工過程中，纖維紋理與構(gòu)件走向的關(guān)系不作為加工的主要影響因素，靠近構(gòu)件邊緣部位有大量木纖維被割斷，使彎曲木構(gòu)件的強度大幅度降低。本研究將從理論上說明2種方法的強度差異，并為2種方法在工業(yè)上的合理應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論和強度判據(jù)。
木材原料受到彎曲扭矩作用會產(chǎn)生彎曲變形，并在纖維受拉一側(cè)產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，在纖維受壓一側(cè)產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。從表面到中性層逐漸減小，中間沒有應(yīng)力的纖維層稱為中性層。如果彎曲原料的纖維方向是沿原料縱向平行分布的，則彎曲后形成構(gòu)件的纖維方向仍和邊緣平行，呈近似同心圓分布，如圖所示的彎曲木，此構(gòu)件受到扭矩作用下，破壞可能性最大的斷裂是彎曲面邊緣點纖維斷裂。銑削加工彎曲構(gòu)件方法在鋸切加工過程中有大量木纖維被割斷，如圖所示，此構(gòu)件破壞的最大可能性是沿邊緣纖維切斷點處劈裂。彎曲構(gòu)件在切斷纖維之間的抗剪切力非常小，所以極容易被破壞。木材是典型的各向異性材料，在3個方向上具有不同的力學(xué)性質(zhì)。通常木材縱向(CL)許用抗拉應(yīng)力較大，徑向(R)和弦向(CT)相對很小。
為了分析2種加工方法的強度，假設(shè)木材是橫觀同性的，對彎曲法加工的構(gòu)件可以假設(shè)為各層纖維和中性層纖維近似平行分布的材料，在不考慮剪切應(yīng)力復(fù)合作用時，可以借助材料力學(xué)理論進行分析。假設(shè)彎曲成型構(gòu)件在受到恒定扭矩下，受到彎曲應(yīng)力破壞時，不計剪切的影響(由于纖維沒有切斷，不存在剪切應(yīng)力集中源)，具體分析如下。彎曲成型構(gòu)件受彎時破壞點的應(yīng)力，為彎曲構(gòu)件截面上距中性層的最大距離，為彎曲構(gòu)件1y構(gòu)件1上的力矩。在纖維連續(xù)分布情況下，要保證彎曲成型彎曲構(gòu)件具有足夠強度，破壞點應(yīng)力要小于木材的許用靜曲強度，即式可以導(dǎo)出彎曲構(gòu)件所能承受的最大彎矩是：構(gòu)件的危險截面是矩形Y-h。
銑削加工彎曲木構(gòu)件的纖維走向如圖所示，在圖中纖維方向?qū)ΨQ作用恒彎矩Ma作用下，彎矩在B平面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力將成為該件破壞的主要原因，在這個剪切應(yīng)力的作用下，彎曲構(gòu)件將沿著B平面受拉側(cè)邊緣的某個纖維切斷處劈裂。由于一般木材纖維切斷處剪應(yīng)力的破壞作用大于彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力的破壞作用，在選擇危險截面時，一般按最大剪應(yīng)力作用進行分析，為了與彎曲法加工的破壞對比，先分析拉應(yīng)力引起的破壞。在彎矩M2的作用下，圖示截面的彎曲正應(yīng)力， Y為彎曲構(gòu)件2上受拉應(yīng)力作用一側(cè)距中性層的最大距離；Ma為作用在彎曲構(gòu)件2上的彎矩。由于實際破壞的截面為B截面，必須將曲面切線方向上的應(yīng)力投影到BB截面上，在Ma的作用下正應(yīng)力為平面狀態(tài)的最大應(yīng)力，產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力投影到B截面上的彎曲拉應(yīng)力。木材會沿著B截面劈裂，由于復(fù)合應(yīng)力的合成應(yīng)力許用判據(jù)不好確定，本研究分別考慮T2和62的作用判據(jù)。構(gòu)件2的B截面尺寸和構(gòu)件1危險截面的厚度不一樣。
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