电工层压木静态力学性能测试

王 尚，杨振元 ，王威强 ，李福鹏

（1.山东大学 机械工程学院，山东 济南 250061；2.山东大学 电气工程学院，山东 济南 250061；3. 国家电网山东电力设备有限公司，山东 济南 250000）

层压木，又称层压胶合板，通过对整体实木的单板分割，可轻易将木材中原生缺陷剔除，并将层板优化重组，大大提高木材的利用率[1]。层压木由于其良好的使用加工性能，一直是木质人造板中的主导产品[2]。由桦木层积热压制成的电工层压木因其优良的机械性能及绝缘性能已被大规模应用于变压器等电气制造业。

木材的组织构造决定了木材的各向异性，将其横切面、径切面、弦切面视为三个弹性主平面，可将木材视为正交各向异性材料，其微观木质纤维的规则化排列可将木材视为天然的纤维增强复合材料[3]，纤维增强复合材料单板按一定规律组合之后依然可以视为正交各向异性材料，因而此处将电工层压木视为正交各向异性材料。

对于木材弹性常数的测量，目前公认且行之有效的方法有光测法、抗弯试验法和电测法。1988年，吴又可等人[4]最早将光测法应用于木材弹性常数的测量，利用激光散斑干涉法测定了红松和1-69杨的顺纹抗拉弹性模量。光测法可测定微小位移，准确度较高，但操作过程复杂、试验设备要求高等因素限制了其广泛应用。

抗弯试验法最早由F. Divos和 T. Tanaka等人[5]提出，作者将抗弯试验法应用于木材剪切模量的测量，结果证明该法行之有效。王丽宇等人[6]认为抗弯试验法适宜测定木材的顺纹弹性模量，而不适宜测量木材的横纹弹性模量。20世纪80年代，Sliker.A[7-9]首次提出用电测法测量木材的弹性常数，由于电测法测试结果可靠、试验时间短，且可测量小数值的泊松比。此后，电测法成为测量木材弹性常数应用最广泛的方法。李维桔[10]、龚蒙[11]用此法测得东北水曲柳和马尾松的弹性常数，王倩[12]和周先雁等人[13]先后用电测法测得落叶松胶合木的应力应变曲线，分别拟合得到各方向的弹性常数，后者还表明落叶松胶合木本构关系表达式中参数变化的规律性和取值范围。侯瑞光等人[14]研究了热处理温度和时间对杨木素材、热处理材、浸渍材和浸渍-热处理材的力学性能的影响，结果表明，热处理会使素材和浸渍材的抗弯强度、弹性模量及耐磨性降低，浸渍后，杨木的耐磨性提高。

参照LY/T1278—2011，将层压木视为正交各向异性材料，采用电测法压缩试验和三点弯曲试验来测定层压木的12个弹性常数，同时分析了层压木在压缩和弯曲过程中的破坏模式，为其他板材层压木弹性常数测量提供了参考，并为超高压变压器运输过程的有限元模拟提供了模型参数。

1 材料与方法

1.1 试验材料及仪器

试验材料采用国家电网山东电力设备有限公司提供的变压器用层压木，由桦木旋切单板涂胶后，经过层积热压制成的板材，层压单板数目为奇数，同一层单板纤维方向一致，层与层间正交铺设。压缩试验试样如图1所示，每个方向各8个，试样的尺寸为20 mm×20 mm×60 mm（长×宽×高），试样的高度方向为受力方向。三点弯曲试样按GB/T 9341—2008推荐，取横截面为20 mm×20 mm，长为300 mm，试样跨高比l/h选用5.5、6.5、10和12，对应的实际跨距分别为110、130、200、240 mm，每种跨度均做5个重复性试样。

本次试验选用济南精仪测试技术有限公司生产的WDW-50型万能试验机完成。应变片选用BX120-5AA 型箔式电阻应变片，敏感栅面积为5 mm×3 mm，电阻值为120±0.1 Ω，灵敏度系数为2.06%，以502胶粘贴在试样上，常温固化。应变仪采用XL2101B5+静态电阻应变仪，其测量范围为0～3000 μm，最低分辨率为1 μm，具有数据储存、数据回放、自动平衡等功能，可以降低木材蠕变的影响。

1.2 试验原理

（1）压缩试验测弹性常数Ei、vij和G23

采用电测法压缩试验测量层压木弹性常数Ei、vij和G23，将电阻应变片粘贴在试样上，利用电阻应变片作为传感元件，把试样的应变转变为应变片电阻的变化，再通过电阻应变仪测出应变片电阻的变化，并将其直接转化为构件的应变。该法测量应变精度较高，可达微应变级别。

在弹性范围内，试验从测试方向的非零初始载荷P0i开始，直至终了载荷Pi，记录对应于载荷的应变值。根据式（1）计算层压木各方向的弹性常数：

式中：A0i为试样测试方向的原始横截面积，ε0i为测试方向的初始应变，εi为测试方向的终了应变。

式中：Δεi为沿加载方向的纵向应变增量，Δεj为垂直于加载方向的横向应变增量。

2-3平面内的剪切弹性模量G23可由下式计算得到[6，15]。

式中：P45°为45°偏轴压缩试验对应的终了载荷，Δε45°为45°偏轴压缩试验加载方向的应变，Δε⊥45°为45°偏轴压缩试验垂直于加载方向的应变。

（2）三点弯曲试验测弹性常数G13和G12

测定剪切模量的方法有很多，如圆轴长杆扭转试验法、薄板扭转法、45º偏轴拉伸（压缩）试验。文中采用F. Divos和 T. Tanaka等人[5]提出的抗弯试验法来测定层压木剩余两个剪切弹性模量。

针对跨高比在5.5～20之间的试样，材料剪切模量与高跨比及抗弯弹性模量有下列关系[6,15]：

其中：hj试样j方向高度（厚度），li试样i方向跨距，Δ(hj/li)2是试样不同高跨比平方的差值，Δ(1/MOE)ij是不同高跨比对应不同抗弯弹性模量倒数之间的差值。根据GB/T9341—2008试样抗弯弹性模量可由下式计算：

其中：ΔPj为沿试样j方向载荷增量，Δsj沿j方向位移增量，b为试样宽度。

图1 试样及应变片布置示意图Fig. 1 Sketch map about specimen strain gage collocation

1.3 试验方法

（1）压缩试验

层压木在外载荷作用下会经历弹性变形、塑性变形以及破坏三个阶段。为了确定其弹性阶段，首先进行破坏性预试验，以保证弹性常数的相关计算数据在比例极限内。根据GB/T1041-2008推荐选用压缩预试验速率，纵向（1向）和厚向（3向）压缩预试验加载速率为5 mm/min，横向（2向）及与厚向成 45°偏轴压缩预试验加载速率为2 mm/min。由破坏性试验载荷-位移曲线确定纵向、厚向和横向压缩，以及与厚向成 45°偏轴压缩试验试样的弹性范围分别为4～16、18～38、3～15和0.6～3 kN。

随后进行正式试验，应变片布置如图1所示，编号如图1（a）所示。测量电桥采用等臂半桥接法，消除温度带来的误差。图1（a）为纵向压缩，加载速率为5 mm/min，终了载荷为15 kN，可测得层压木的E1、v12和v13；图1（b）为厚度方向压缩，加载速率为5 mm/min，终了载荷为35 kN，可测得层压木的E3、v31和v32；图1（c）为横向压缩，加载速率为2 mm/min，终了载荷为15 kN，可测得层压木的E2、v21和v23；图1（d）为与厚向成45°偏轴压缩，加载速率为2 mm/min，终了载荷为2.5 kN，可测得层压木的G23。在弹性范围内，对应每一个终了载荷记录应变值，根据公式（1）、（2）、（3）计算其弹性模量、泊松比以及G23。

（2）三点弯曲试验

将三点弯曲试样置于三点弯曲夹具上，两支辊间距分别调整为110、130、200、240 mm，加载速度按照GB/T 9341—2008推荐选用2 mm/min，每个跨距均做5次重复性试验。方向3加载可测得1-3平面内的剪切弹性模量G13，方向2加载可测得1-2平面内的剪切弹性模量G12，根据公式（4）、（5）计算层压木其余两个剪切弹性模量。

2 结果与分析

2.1 试验结果

（1）压缩试验结果分析

图2是层压木1、2、3方向在加载过程中（预试验）典型的应力应变曲线，层压木方向1和方向2受载时，均经过明显的弹性段，1方向弹性模量略大于2方向弹性模量，当应力超过层压木比例极限时，材料中发生不可逆变化，产生塑性变形，应力应变曲线表现出高度非线性，在此塑性段，产生相同应变时，方向1所需的应力更高，抗压强度更大。这是由于层压木单板数目为奇数，层与层之间正交铺设，在1方向受力压缩时，最外层单板顺纹承压，试样中顺纹承压单板数目大于横纹承压单板数目，在2方向受力压缩时，最外层单板横纹承压，试样中层压木顺纹承压单板数目小于横纹承压单板数目，而木材顺纹承压能力大于横纹承压能力，因此1方向抗压弹性模量和抗压强度均大于2方向。

图2 层压木各方向压缩时典型的应力应变曲线Fig. 2 Typical compressive stress-strain curves of laminated wood in all directions

表 1 电工层压木的10个弹性常数Table 1 Ten elastic constant values of electric laminated wood

图3 方向3加载高跨比平方(h/l)2与抗弯弹性模量倒数1/MOE之间的线性回归分析Fig. 3 Relationship between the square of the depth to length ratio and the reciprocal of bending elastic modulus under direction 3 loading

在方向3受载过程中，其应力应变曲线表现出三个阶段，在加载初期，层压木各单层板本身纤维受到挤压先后变得紧实，应力应变曲线近似呈线性特征，随着载荷的增大，层压木开始整体变形，不仅各层板纤维继续紧实，层与层之间亦被压实，变形进入应力缓慢线性增长的弹性阶段，若载荷继续增加，各层板紧实之后进入应力迅速增加区域，直至层压木断裂。

电测法压缩试验测电工层压木的10个弹性常数如表1所示，大部分数据相对误差小于10%，只有E3和v23的误差略大，在11%左右，总体来看，试验结果的重复性较高。对于误差较高的情况，可能是由于粘合剂冷却后存在残余应力，桦木单层板厚度不均匀，以及层压单板吸胶量存在差异等因素，引起部分试验数据相对误差较高。

（2）三点弯曲试验结果分析

将三点弯曲试验结果利用式（5）计算得到不同高跨比下材料的抗弯弹性模量，利用origin软件对高跨比的平方(h/l)2及抗弯弹性模量的倒数1/MOE进行线性回归分析，结果如图3和图4所示，图3为方向3加载，高跨比平方(h/l)2与抗弯弹性模量倒数1/MOE之间拟合方程为(h/l)2=121.71(1/MOE)，二者之间相关系数为0.998 94，层压木1-3平面内的剪切弹性模量G13=146.05 MPa。图4为方向2加载，高跨比平方(h/l)2与抗弯弹性模量倒数1/MOE之间拟合方程为(h/l)2=455.72(1/MOE)，二者之间相关系数为0.928 67，层压木1-2平面内的剪切弹性模量G12=546.86 MPa。两种情况下的线性回归程度都较高。

2.2 层压木破坏模式分析

（1）压缩试验破坏模式分析

在层压木方向1和方向2受压时，层压木破坏属于强度破坏，试样破坏时，未发生明显的弯曲或扭转，如图5所示。在加载初期，试样表面无褶皱，也无侧向变形，当载荷达到极限载荷的80%左右，载荷增长速度缓慢，伴有一定的响声，破坏时二者均由层压木层板的薄弱地带（一般靠近粘合面）起裂，随后发生分级破坏，直至最终破坏。有所不同的是，方向1受压破坏时，破坏试样正面较毛糙，表层层板木材纤维发生断裂，甚至脱离层压木整体，如图5（a）右侧所示。方向2受压破坏时，破坏试样的正面较整齐，表层层板纤维与纤维之间相互分离，如图5（b）所示。纤维断裂所需的力大于纤维之间相互分离力也是层压木方向1抗压强度更高的原因之一。

图4 方向2加载高跨比平方(h/l)2与抗弯弹性模量倒数1/MOE之间的线性回归分析Fig. 4 Relationship between the square of the depth to length ratio and the reciprocal of bending elastic modulus under direction 2 loading

图5 层压木受压破坏试样Fig 5 The damaged specimens of laminated wood

层压木在厚度方向压缩过程中，即层压木方向3受载时，在加载初期，层压木各单层板变形，载荷用于紧实各层板自身纤维，随着载荷的增大，层压木开始整体变形，不仅各层板纤维继续紧实，层与层之间亦被压实，在加载后期，靠近粘合面的层板木节处或具有缺陷的层板产生裂纹，同时伴有响声，随后裂纹扩展，层压木被压溃，破坏表面与轴线约呈45°，如图5（c）所示，这是由于在层压木试样中，沿与轴线呈45°截面上剪应力最大，在该截面上，层压木发生剪切破坏。

（2）三点弯曲试验破坏模式分析

在弯曲试验中，构件主要发生弹性变形，仅当接近破坏时，才会出现少部分塑性变形。因此，在加载初期，跨中弯矩较小，材料处于弹性状态，应力应变成正比；当载荷达到承载力的50%左右时，试样出现明显弯曲，伴有轻微响声；接近破坏时，试样会发出较大的声响，跨中挠度较大，破坏自受拉区边缘部位，受压区并无明显变化。

试样方向2受载时，在跨中挠度最大处的底面所受拉力最大，破坏由此面开始，在此面中，层压木各层板均有不同程度的裂纹，属于弯曲破坏类型，如图6所示。试样方向3受载时，底层板所受拉力最大，随着载荷的增加，达到底层板抗拉强度，底层板边缘部位破坏，裂纹向两端扩展，试样强度下降，随后，紧邻最外层板其余层板相继破坏，如图7所示。木材顺纹拉伸破坏主要由纵向撕裂和纤维之间的剪切引起[16]，其顺纹抗拉强度最大，因此试验中方向3比方向2承载能力更大。若层压木承受弯曲载荷时，可选用厚度方向承载，但要防止易引起应力集中的木结、裂纹等缺陷出现在底层板中，提高底层板的质量。

图6 方向2加载破坏试样（底面）Fig 6 The damaged specimen of direction 2 loading(undersurface)

图7 方向3加载破坏试样（侧面）Fig 7 The damaged specimen of direction 3 loading(side-surface)

3 结论与讨论

用电测法压缩试验测定层压木3个弹性主轴方向的弹性模量、泊松比和2-3平面内的剪切模量是可行的，测得的数据有较好重合性，且满足复合材料理论中的Maxwell定理，说明将层压木板视为正交各向异性体是合理的；用三点弯曲试验测定层压木板1-2平面上和1-3平面上的剪切模量，跨高比的平方与抗弯弹性模量的倒数间存在良好的相关性，说明该试验方法和数据计算合理有效。

层压木在纵向和横向承受压缩载荷时，破坏模式与复合材料层压板类似，倾向于分级破坏。在厚度方向承受全截面的压力时，沿45°剪应力最大方向压溃破坏，其起裂点往往处于层板粘合处或单板缺陷处。在承受弯曲载荷时，方向3承载能力大于方向2，但受拉区底层板的质量对方向3承载能力有很大影响，若底层板存在木结、裂纹等缺陷，层压木可能在弹性阶段就发生破坏。

本文在变压器运输环境下测定了层压木全部12个弹性参数并分析其破坏模式。但影响层压木力学性能的因素很多，如：层压木含水率、木结、指接等，导致某些数据的离散性较大，这些因素对层压木板力学性能的影响仍需进一步研究。同时，工程中受偏心载荷的层压木构件也很多，对偏心受压、失稳构件承载能力及破坏模式的进一步研究对实际工程有重要意义。

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