Vol. 38 No. 2 Feb. 2018 第 38 卷 第 2 期 2018 年 2 月 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry & Technology Doi:10.14067/j.cnki.1673-923x.2018.01.020 http: //qks.csuft.edu.cn 收稿日期：2016-12-26 基金项目：国家电网公司科技项目（SGTYHT/14-JS-188） 作者简介：王 尚，硕士研究生 通信作者：王威强，教授，博士；E-mail：wqwang@sdu.edu.cn 引文格式：王 尚，杨振元，王威强，等 . 电工层压木静态力学性能测试 [J]. 中南林业科技大学学报，2018, 38(2):129-134. 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 电工层压木静态力学性能测试 王 尚 1，杨振元 2，3，王威强 1，李福鹏 1 （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） 摘 要：电工层压木由于其机械强度高、绝缘性能良好以及与变压器油相容性好等优点已广泛应用于油浸式变压 器。作者基于正交各向异性假设，将层压木表层单板的纵向、横向和层压木厚度方向视为弹性对称主轴，用电测 法及弯曲试验测定了材料的 12 个弹性常数。试验结果基本符合 Maxwell 定理，说明作者采用正交各向异性假设 是合理的；对弯曲试验的试验数据进行线性回归分析可知，1-3 和 1-2 平面内弹性模量倒数与高跨比平方的线性 回归相关系数分别为 0.998 94 和 0.928 67，说明利用弯曲试验测定层压木的剪切模量是可行的。同时对压缩破坏 试验及弯曲试验破坏过程进行分析。测定结果为超高压变压器建模以及运输过程的有限元模拟提供了模型参数。 关键词：电工层压木；弹性常数；电测法；弯曲试验 中图分类号：S792.11 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2018)02-0129-06 Tests of static mechanical properties of electric laminated wood WANG Shang 1, YANG Zhenyuan 2,3, WANG Weiqiang 1, LI Fupeng 1 (1. College of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China; 2. School of Electrical Engineering , Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China; 3. State Grid Shandong Electric Company, Jinan 250000, Shandong, China) Abstract: Because of high mechanical strength, high-quality insulation property, and good compatibility with transformer oil,the electric laminated wood has been widely used in oil-immersed transformers. Based on the hypothesis of orthotropic, that is the longitudinal and transverse direction of the surface veneer, and the thickness direction of laminated wood are regarded as the elastic symmetry axes, twelve elastic constants in electric laminated wood were measured by electrical testing methods and bending tests in this paper. The measured data meet the theorem of Maxwell, it is proved that the hypothesis of orthotropic which the author adopted are reasonable. Through the linear regression analysis on data from bending tests, The correlation coefficients of the reciprocal of flexural modulus in 1-3 and 1-2 plane and the square of span-depth ratio were 0.998 94 and 0.928 67 respectively，and it indicated that the bending tests were feasible to obtain the shear modulus. At the same time, the authors also analyzed the failure process of compression and bending tests. The result would provide the necessary model parameters for the finite element simulation of extra-high voltage transformers during they are transported. Keywords: electric laminated wood; elastic constants; electrical testing method; bending test 王 尚，等：电工层压木静态力学性能测试 130 第 2 期 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： ) ( 0 0 0 i i i i i i i i A P P E ε ε ε ∆ σ ∆ − − = = ，(i=1，2，3)。 （1） 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。 i j ijv ε ∆ ε ∆ − = ，(i=1,2,3；j=1,2,3；i ≠ j)。 （2） 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]。 ) ( 2 45 45 0 0 45 23    ⊥ − − = ε ∆ ε ∆ i i A P P G 。 （3） 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]： ij i j ij MOE l h G ) / 1( ) / ( 2.1 2 ∆ ∆ = ，(i=1；j=2,3)。 （4） 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， 131 第 38 卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 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： 3 3 4 ) ( j j i j ij bh s l P MOE ∆ ∆ = ，(i=1；j=2,3)。 （5） 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。 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。 图 1 试样及应变片布置示意图 Fig. 1 Sketch map about specimen strain gage collocation （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。 王 尚，等：电工层压木静态力学性能测试 132 第 2 期 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 表 1 电工层压木的10个弹性常数 Table 1 Ten elastic constant values of electric laminated wood 编号 E1 /MPa v12 v13 E2 /MPa v21 v23 E3 /MPa v31 v32 G23 /Pa 1 4 069.13 0.029 6 0.330 7 3 754.73 0.026 5 0.111 0 227.26 0.020 3 0.001 0 1 226.94 2 4 320.99 0.031 5 0.372 1 3 601.02 0.030 5 0.111 7 259.20 0.021 1 0.001 1 1 198.67 3 4 004.43 0.030 3 0.376 4 3 558.48 0.028 5 0.102 0 209.62 0.019 7 0.001 2 1 118.12 4 4 017.18 0.030 7 0.346 8 3 432.06 0.031 5 0.110 0 222.66 0.017 9 0.001 0 1 179.15 5 4 023.20 0.030 8 0.365 2 3 682.45 0.026 8 0.093 5 241.75 0.017 8 0.001 0 1 209.57 平均值 4 086.99 0.030 6 0.358 2 3 605.75 0.028 8 0.105 6 232.10 0.019 4 0.001 1 1 186.49 最大误差 /% 5.72 3.00 7.69 4.82 9.38 11.46 11.67 8.76 9.09 5.76 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 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 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。 经检验测得电工层压木的 10 个弹性常数基 本满足 j ji i ij E v E v = （i,j=1，2，3），同时满足 |vij| ＜ 2 1 j i E E （i,j=1，2，3）， 符 合 正 交 各 向 异 性 材 料 Maxwell 定理限制，说明上述试验数据可靠有效， 对电工层压木的正交各向异性模型假定合理。 （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 133 第 38 卷 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 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。 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， 图 5 层压木受压破坏试样 Fig 5 The damaged specimens of laminated wood 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 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 王 尚，等：电工层压木静态力学性能测试 134 第 2 期 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。 参考文献： [1] 郭莹洁 , 任海青 . 结构用胶合木生产工艺研究进展 [J]. 世界 林业研究 , 2011, 24 (6):43-48. 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[ 本文编校：吴 彬 ] 图 7 方向 3 加载破坏试样（侧面） Fig 7 The damaged specimen of direction 3 loading (side-surface) 图 6 方向 2 加载破坏试样（底面） Fig 6 The damaged specimen of direction 2 loading (undersurface) 等缺陷出现在底层板中，提高底层板的质量。 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