王杰，張梓建，萬輝，鄧書端，董春雷

(西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650224)

木材為多孔且易吸濕的黏彈性材料，在持續(xù)受外力和外界環(huán)境溫濕度作用下會(huì)發(fā)生明顯的蠕變變形而可能影響其使用性能或危及結(jié)構(gòu)安全[1]。因此，木材蠕變性能的研究和評價(jià)一直是木材學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)[2-3]。目前有關(guān)木材蠕變的研究主要集中于靜曲受力狀態(tài)下木材的彎曲蠕變[4-7]，但采用單一彎曲蠕變來研究木材的整體蠕變性能將面臨2個(gè)無法回避的問題。首先，從靜曲受力角度，木材的彎曲蠕變實(shí)際上是木材橫截面上部壓縮蠕變和下部拉伸蠕變的耦合[3]，而木材各向異性的特殊材性導(dǎo)致其拉伸、壓縮和靜曲受力狀態(tài)下力學(xué)性能之間存在較大的差異，例如大部分木材的拉伸彈性模量是彎曲彈性模量的1.1～1.2倍，是壓縮彈性模量的1.1倍左右[8]；其次，由于水分對各受力方向上木材物理力學(xué)性能影響程度的不一致性，導(dǎo)致其在受環(huán)境溫濕度影響時(shí)各受力方向上木材的濕脹干縮和力學(xué)性能的變化程度均存在較大的差異?？梢?，受力方向的不同會(huì)導(dǎo)致木材蠕變性能的差異，而采用單一彎曲蠕變來研究木材的蠕變性能可能會(huì)掩蓋其他受力狀態(tài)下，如純拉伸和純壓縮受力狀態(tài)下木材特殊的蠕變規(guī)律和各受力方向上蠕變之間的耦合關(guān)系。因此，用單一彎曲蠕變性能來研究木材蠕變是不全面的，還需要對拉伸或壓縮受力狀態(tài)下木材的蠕變性能進(jìn)行研究。

目前，可控變溫變濕環(huán)境下木材純拉伸或純壓縮蠕變性能的研究，特別是與之相匹配的測試裝備的研究還鮮有報(bào)道。首先，從試驗(yàn)環(huán)境可控方面來看，因受到環(huán)境溫濕度控制系統(tǒng)、方式和測試裝備的限制，木材拉伸、壓縮蠕變的研究多集中于室內(nèi)或室外自然條件下的研究，鮮有對溫度、濕度及其變化以及蠕變變形量同時(shí)高精度可控的專用測試設(shè)備的報(bào)道[9]；其次，從測試手段和方法來看，有嘗試借助研究高分子材料流變性能的動(dòng)態(tài)流變儀(dynamic mechanical analysis，DMA)來測試木材在高溫條件下的蠕變性能。但由于這一設(shè)備要求樣品為粉末狀，而這在本質(zhì)上已改變了能作為建材的木材基本結(jié)構(gòu)和屬性，因而不能用作具有建材屬性的木材蠕變性能的研究和測試。加之這類設(shè)備昂貴且測試目標(biāo)和方法單一，測試結(jié)果離散性也較大[10-11]。此外，也有嘗試采用力學(xué)試驗(yàn)機(jī)和高精度應(yīng)變測量裝置相結(jié)合的方法研究材料拉壓蠕變性能的，但由于力控制方式和木材蠕變特性的雙重限制，無論是液壓式還是機(jī)械絲桿式力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的加載力均會(huì)受木材反向抵抗力變化的影響，而實(shí)際上呈現(xiàn)的是波浪狀力加載，無法保持加載力的恒定[12-14]。因此，這類研究也不是嚴(yán)格意義上的恒定荷載下材料的拉壓蠕變研究。

針對這一情況，筆者所在課題組研發(fā)了一套木材拉伸及壓縮一體化蠕變自動(dòng)測試和監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)，旨在為可控溫濕度條件下木材的拉伸和壓縮蠕變相關(guān)研究提供高精度測試平臺(tái)。

1 木材拉伸及壓縮蠕變的測試要求

1.1 木材蠕變測試裝備的技術(shù)要求

木材的蠕變是指在恒定的外載荷作用下其變形隨時(shí)間的推移而緩慢增加的一種現(xiàn)象，根據(jù)蠕變表現(xiàn)特征的不同，學(xué)術(shù)界又將外界溫濕度恒定和變化兩種情況下發(fā)生的木材蠕變分別定義為普通蠕變和機(jī)械吸附蠕變[15-16]。因此，由蠕變發(fā)生的外在條件和內(nèi)在機(jī)理不難看出，木材蠕變測試裝備至少應(yīng)滿足以下3個(gè)方面的基本要求。

1)施載的持續(xù)恒定性和可變性。有持續(xù)且恒定不變外載荷的加載是保證木材持續(xù)發(fā)生蠕變的先決條件之一，所以木材蠕變測試裝備首先應(yīng)具有可對木材試件施加持續(xù)恒定荷載的加載單元。但為了研究加載水平對木材蠕變的影響，往往又需要加載單元同時(shí)具備可對載荷大小進(jìn)行調(diào)整的功能。

2)蠕變變形測試的高精度、穩(wěn)定性和可持續(xù)性。木材的蠕變量特別是在小載荷作用下或蠕變穩(wěn)定階段的蠕變量一般較小，需要蠕變測試裝置具備較高的測試精度，其中試件變形測試精度和分辨率均不低于0.01 mm。同時(shí)，木材的蠕變測試又是一項(xiàng)耗時(shí)普遍較長的試驗(yàn)，少則幾周，多則數(shù)年之久，因此需要蠕變測試裝置具備長時(shí)間穩(wěn)定可靠記錄木材蠕變信息的功能和相應(yīng)的硬件單元。

3)蠕變測試環(huán)境溫濕度的可控性。木材在變溫變濕環(huán)境下才會(huì)發(fā)生機(jī)械吸附蠕變，因此蠕變測試裝置需具備對包含木材蠕變測試試件在內(nèi)的整個(gè)測試環(huán)境溫度和相對濕度可自由調(diào)節(jié)的功能，以滿足機(jī)械吸附蠕變不同研究目的的差異性要求。

此外，為實(shí)時(shí)跟蹤和了解木材蠕變規(guī)律以及防止木材蠕變測試發(fā)生意外(如提前破壞和斷電等)，木材蠕變測試裝備還應(yīng)具備蠕變的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示功能(繪圖功能)以及意外發(fā)生后的系統(tǒng)保護(hù)功能等。由于木材各向異性的特殊材性，其拉伸和壓縮蠕變測試往往需要較常規(guī)蠕變測試大數(shù)倍的加載力，因此還需額外考慮由于加載力的大幅增加導(dǎo)致的整套蠕變測試裝置各功能單元的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

1.2 木材拉壓蠕變測試對試件的要求

木材獨(dú)特的解剖構(gòu)造使其在順紋拉伸力學(xué)性能測試時(shí)呈現(xiàn)出加載力非常大而變形量卻非常小的典型特點(diǎn)，因此木材的順紋拉伸強(qiáng)度和模量也是木材所有力學(xué)性能中最大的。為適應(yīng)木材的這一特性，我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》和美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM D143-14 “Standard test methods for small clear specimens of timber”均規(guī)定采用啞鈴狀的木材試件(如圖1a所示)來獲得木材的順紋拉伸力學(xué)性能，其目的是確保采用常規(guī)的萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)就能使木材在標(biāo)距段內(nèi)產(chǎn)生純拉伸變形或破壞。本研究首先通過前期大量的市場調(diào)研和選型，選取了溫濕度均能高精度控制的德國產(chǎn)Binder MKF720環(huán)境氣候箱(溫度精度±0.1 ℃、相對濕度精度±2%)作為木材拉壓蠕變測試的環(huán)境調(diào)節(jié)裝備，而后依據(jù)拉伸及壓縮力學(xué)性能測試原理和環(huán)境氣候箱承載要求對檢測裝置和連接裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后再進(jìn)行拉伸及壓縮測試試件的設(shè)計(jì)?？紤]到需要將檢測裝置和木材試件置于氣候箱內(nèi)，試件的拉伸或壓縮外載荷、檢測裝置質(zhì)量和連接裝置質(zhì)量必須要滿足箱體承重方式和承重上限的要求。由該設(shè)備的最大承載空間及承載能力除去檢測裝置和連接裝置后的剩余承載空間和承載能力，結(jié)合我國常用結(jié)構(gòu)材的順紋拉伸強(qiáng)度值換算出木材純拉伸段的最大截面尺寸不應(yīng)超過4 mm(厚)×8 mm(寬)，由GB/T 1938—2009和ASTM D143-14的力學(xué)測試原理可換算出木材順紋拉伸試件的標(biāo)距段不應(yīng)小于50 mm。之后，通過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證確定木材順紋拉伸試件的兩個(gè)夾持端木材的尺寸為50 mm(長)×20 mm(厚)×40 mm(寬)，夾持端與標(biāo)距段過渡段圓弧半徑為254和172 mm較為適宜。

同理，依據(jù)木材順紋壓縮力學(xué)性能測試原理、已選型氣候箱承載要求、檢測裝置和連接裝置質(zhì)量、ASTM D143-14的測試原理及要求，可換算出木材壓縮蠕變測試試件的外形尺寸為80 mm(長)×10 mm(厚)×10 mm(寬)較合理。

圖1 蠕變測試?yán)煸嚰叽鏔ig. 1 Dimensions of creep test tensile specimen

2 各分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法

本次研發(fā)的木材拉壓一體蠕變自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示，該系統(tǒng)的主要軟硬件參數(shù)和整套系統(tǒng)的性能參數(shù)如表1所示。

1.上底座；2.滑輪2；3.支撐桿；4.滑輪3；5.滑軌1；6.滑輪2；7.滑塊1； 8.滑塊2；9.荷載；10.LVDT(線性位移傳感器)；11.壓盤；12.連接螺栓； 13.滑塊3；14.下底座；15.環(huán)境氣候箱；16.機(jī)架；17.壓縮裝置； 18.拉伸裝置；19.數(shù)據(jù)終端；20.A/D轉(zhuǎn)換器；21.夾頭。圖2 監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 2 Monitoring system

表1 軟硬件參數(shù)Table 1 Hardware and software parameters

表1(續(xù))

2.1 硬件系統(tǒng)

2.1.1 蠕變測試環(huán)境系統(tǒng)

木材拉伸或壓縮蠕變測試也需要在大范圍可調(diào)溫調(diào)濕的環(huán)境條件下進(jìn)行，目前能滿足這一嚴(yán)苛測試環(huán)境要求且成本低廉的方案是集成現(xiàn)有市售成型的環(huán)境氣候箱作為蠕變測試環(huán)境系統(tǒng)。本次研究基于對木材拉壓蠕變試驗(yàn)環(huán)境參數(shù)精度的要求、容量、承載力、與檢測裝置的結(jié)構(gòu)兼容性和可裝配性等考慮，最終選用了德國Binder MKF720環(huán)境氣候箱，該設(shè)備能滿足EN460-1994“Durability of wood and wood-based products-Natural durability of solid wood-Guide to the durability requirements for wood to be used in hazard classes”規(guī)定的木制材料耐久性和穩(wěn)定性測試試驗(yàn)的所有要求。

2.1.2 框架和受力導(dǎo)向系統(tǒng)

框架和受力導(dǎo)向系統(tǒng)起到使木材產(chǎn)生純拉伸和純壓縮受力的作用，由底座、支撐桿、導(dǎo)軌(導(dǎo)向單元)、滑塊(運(yùn)動(dòng)單元)組成，如圖3所示。綜合分析以上機(jī)械單元的配合度和兼容性問題，研究結(jié)構(gòu)微小型化、緊湊化和輕量化。將底座分為上下兩部分，由鋁合金加工而成。使用鋁合金的原因一方面是為了減小裝置的質(zhì)量以適應(yīng)環(huán)境氣候箱的承載能力，另一方面是鋁合金強(qiáng)重比高且易加工成型。底座開孔，固定在支撐桿和導(dǎo)軌兩端，形成一個(gè)穩(wěn)定的支撐框架，支撐其他構(gòu)件。支撐桿主要起支撐承力的作用，由鋁合金加工而成。導(dǎo)軌主要起限制滑塊運(yùn)動(dòng)方向的作用，限制滑塊沿導(dǎo)軌做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此外也有支撐作用，由鋼柱車削加工而成，剛度大、抗壓能力強(qiáng)，可減小使用過程中的形變量，從而減小因此帶來的誤差。導(dǎo)軌表面鍍鉻，其粗糙度僅為0.05～0.1 μm，同軸度為0.002 mm，使滑塊運(yùn)動(dòng)方向及加載應(yīng)力方向能始終保持在一條直線上，極大減小了滑塊與導(dǎo)軌間的摩擦力。導(dǎo)軌上的滑塊主要作用是對加載應(yīng)力的傳遞，加載應(yīng)力經(jīng)滑塊的傳遞作用于試件，通過改變滑塊間的連接組合方式可以改變應(yīng)力傳遞的方向，以此來實(shí)現(xiàn)拉伸和壓縮模式的切換?；瑝K由鋁合金加工而成，選用該材料同樣是出于減輕裝置質(zhì)量的考慮，滑塊于導(dǎo)軌接觸部位加裝滑動(dòng)軸承，這樣既能減小滑塊與導(dǎo)軌間的滑動(dòng)摩擦，又能保障其運(yùn)動(dòng)方向的直線度?；瑝K和載荷通過滑輪產(chǎn)生聯(lián)系，滑輪改變了加載力的方向并將加載力成倍放大，經(jīng)由滑塊傳遞最終作用于試件。而試件則由夾具夾裝后固定在滑塊上，拉伸壓縮測試所用夾具不同。所有機(jī)械單元間采用軟連接方式進(jìn)行連接，便于裝卸和零部件的更換。

1.上底座；2.滑輪組；3.導(dǎo)軌；4.支撐桿；5.滑塊1；6.滑塊2； 7.拉伸夾具；8.配重塊；9.壓縮夾具；10.滑塊3；11.下底座。圖3 拉伸裝置和壓縮裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)單元Fig. 3 Mechanical structure units of tensile device and compressive device

2.1.3 加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)由載荷和滑輪組組成，如圖4所示。載荷由不同型號(hào)的高密度鋼板配重塊組成，不同型號(hào)質(zhì)量不一，可依據(jù)試驗(yàn)加載要求進(jìn)行組合，載荷分辨率可控制到1 g。為防止試件蠕變斷裂破壞，載荷正下方必須放置硬海綿或泡沫，且距離配重下表面不超過30 mm，最大限度避免由于試件破壞造成配重突然下落而導(dǎo)致的裝置機(jī)械性或電子元器件的損壞。由于試件拉伸、壓縮受力方向均沿木材纖維方向，試驗(yàn)所需施加的力極大，而力的大小由施加的載荷控制，使用滑輪組能極大縮減試驗(yàn)過程中的加載質(zhì)量，從而減小整個(gè)裝置的質(zhì)量，以適應(yīng)環(huán)境氣候箱有限的承載力。

滑輪系統(tǒng)包括1個(gè)動(dòng)滑輪(滑輪2)和2個(gè)定滑輪(滑輪1、3)，滑輪1和滑輪2均由3個(gè)單滑輪串聯(lián)組成，滑輪3是單滑輪。滑輪1、3與裝置的上底座連接，滑輪2作為動(dòng)滑輪與滑塊1連接，各滑輪通過直徑為2 mm的高強(qiáng)度鋼絲繩連接配合而產(chǎn)生作用，鋼絲繩直徑較小，與滑輪接觸面極小，因而鋼絲繩與滑輪摩擦而產(chǎn)生的誤差可忽略不計(jì)。3×3滑輪組合等效放大載荷產(chǎn)生的拉力，其放大比例因繞繩方式的不同而不同，當(dāng)繩子固定端與滑輪1連接時(shí)放大比例為1∶6，與滑輪2連接時(shí)為1∶7。單滑輪用于改變拉力的方向?；喤c底座和滑塊均采用插銷進(jìn)行連接，方便更換不同的滑輪組來滿足不同試驗(yàn)及不同試件對加載應(yīng)力的要求。

圖4 加載系統(tǒng)Fig. 4 Loading system

2.1.4 拉伸和壓縮蠕變測試的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

為節(jié)省測試空間，通過改變運(yùn)動(dòng)單元的連接組合方式來進(jìn)行拉伸模式和壓縮模式的切換，如圖3所示，進(jìn)行拉伸蠕變試驗(yàn)時(shí)將滑塊1和滑塊2連接固定，滑塊3和下底座連接固定，夾頭和滑塊2、3連接。進(jìn)行壓縮蠕變試驗(yàn)時(shí)將滑塊1和滑塊3連接固定，滑塊2和下底座連接固定，同樣將壓頭和滑塊2、3連接即可。拉伸蠕變試驗(yàn)是將試件下端固定，將向上的拉力作用于試件上端，對試件進(jìn)行拉伸；壓縮蠕變試驗(yàn)則是將試件上端固定，將向上的拉力作用于試件下端，由下而上對試件進(jìn)行壓縮。由于拉伸和壓縮蠕變試驗(yàn)試件尺寸不一樣，其裝載空間也不一樣，在拉伸和壓縮模式切換之前需先將LVDT調(diào)整至合適位置，而后調(diào)整滑塊位置，方便試件裝載，避免操作不當(dāng)使滑塊位置和LVDT位置產(chǎn)生沖突而損壞LVDT。

2.1.5 試件夾裝系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集

1.張緊螺栓；2.夾頭；3.拉伸試件；4.LVDT探頭承接臺(tái)1； 5.LVDT；6.LVDT支座；7.齒板限位；8.夾頭齒板；9.壓頭； 10.LVDT探頭承接臺(tái)2；11.拉伸試件；12.限位孔。圖5 拉伸與壓縮試件夾裝Fig. 5 Tensile and compressive specimen clamping

拉伸試件與壓縮試件夾裝方式不一致，如圖5所示。拉伸試件夾裝時(shí)，先將夾具齒板限位取下，而后分別將試件兩端從夾具側(cè)面置入，裝上齒板限位，將預(yù)張緊螺栓擰緊，擰緊的螺栓推動(dòng)齒板，其行程為40 mm。齒板呈楔形，其表面有2 mm的尖齒狀突起，在與夾頭凹槽的斜面配合下，齒板間間距縮小，齒板尖齒將嵌入拉伸試件夾裝段，從而夾緊試件。在拉伸過程中，因具有斜面鎖緊結(jié)構(gòu)，夾頭隨試件拉伸越來越緊，有效減小了拉伸過程中因試件的滑移而產(chǎn)生的誤差。將試件夾裝在夾頭上之后將夾頭與滑塊連接，連接固定后在試件標(biāo)距段夾裝LVDT探頭承臺(tái)。壓縮試件夾裝時(shí)，先將壓頭與滑塊連接，而后將LVDT探頭承臺(tái)固定在試件上，其與試件兩端應(yīng)當(dāng)分別留有15 mm的余量。試件端頭易產(chǎn)生應(yīng)力集中，標(biāo)距段應(yīng)盡量遠(yuǎn)離端頭來減小測試結(jié)果的誤差，最后把試件置于壓頭限位槽內(nèi)。測試均采用2個(gè)LVDT對試件標(biāo)距段進(jìn)行間接測量，LVDT與試件平行且相對放置，其中向下放置的LVDT測量的是標(biāo)距段下端的位移，向上放置的LVDT測量的是標(biāo)距段上端的位移。拉伸蠕變量為2個(gè)LVDT數(shù)據(jù)算數(shù)和的絕對值，壓縮蠕變量為2個(gè)LVDT數(shù)據(jù)的算術(shù)和，LVDT采用固定支座固定在滑軌上以避免試件滑移、裝置形變等系統(tǒng)誤差。

2.1.6 檢測裝置與環(huán)境系統(tǒng)的連接機(jī)架

Binder MKF720環(huán)境氣候箱主要靠箱體兩側(cè)內(nèi)壁承重，箱內(nèi)底部因無支撐結(jié)構(gòu)而無法承重。受限于環(huán)境氣候箱提供的裝配方式與承載要求，檢測裝置與環(huán)境氣候箱的兼容使用需要連接機(jī)架作為媒介。連接機(jī)架由不銹鋼制成，其加工精度為0.05 mm，檢測裝置通過連接扣件固定在機(jī)架橫桿上，機(jī)架兩側(cè)的支撐架分別設(shè)置11根圓形鋼條與箱體內(nèi)壁兩側(cè)突起的楞條一一對應(yīng)，鋼條擱置于楞條之上，承載起整個(gè)檢測裝置。機(jī)架橫向尺寸可調(diào)，將其往箱內(nèi)裝載時(shí)松開固定螺栓和機(jī)架撐桿的張緊螺母，將橫向尺寸調(diào)整至最小，整體置入箱體后再次調(diào)整橫向尺寸使支撐架與箱體內(nèi)壁兩側(cè)貼合，隨后擰緊機(jī)架撐桿張緊螺母，通過撐桿提供的橫向支撐力使支撐架與箱體內(nèi)壁緊貼。擰緊固定螺栓，機(jī)架便完全與箱體內(nèi)部空間嵌合，形成一個(gè)穩(wěn)固的機(jī)構(gòu)，如圖6所示。

1.支撐架；2.圓形鋼條；3.機(jī)架撐桿；4.固定螺栓；5.機(jī)架橫桿；6.腰孔； 7.支撐架連接端；8.空心鋼柱；9.張緊螺母；10.螺桿；11.連接扣件。圖6 機(jī)架Fig. 6 Rack

2.1.7 信號(hào)接收和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

LVDT屬電感式位移傳感器，測得的位移變量以電信號(hào)形式輸出。將信號(hào)接入數(shù)據(jù)處理終端前，需先將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。系統(tǒng)采用模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換器由2個(gè)符合RS-485“Electrical characteristics of generators or recievers”標(biāo)準(zhǔn)的模擬輸入采集模塊和一塊單片機(jī)組成，信號(hào)傳輸穩(wěn)定。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件基于VB語言與查表算法進(jìn)行開發(fā)，其運(yùn)行邏輯簡潔，即將輸入的RS-485數(shù)字信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算分析及整理，在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，進(jìn)而對試件在載荷作用下的變形進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)測和控制。此外，系統(tǒng)為消除試驗(yàn)過程中無法避免的震動(dòng)干擾對LVDT測量精度的影響，軟件在降低維度優(yōu)化的查表算法基礎(chǔ)上新增若干采樣點(diǎn)作為干擾校驗(yàn)點(diǎn)；通過分析干擾校驗(yàn)點(diǎn)的分布范圍和一致性，判斷檢測系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)的正確性，剔除由于干擾而出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)，保證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集控制

數(shù)據(jù)采集的控制主要包括數(shù)據(jù)采集的起止與采集的間隔控制，通過控制數(shù)據(jù)采集起止點(diǎn)可有效避開未達(dá)試驗(yàn)設(shè)定要求時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，如試驗(yàn)載荷加載前的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)環(huán)境未達(dá)到設(shè)定水平時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集間隔從1 s至24 h無極可調(diào)，可根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置多個(gè)間隔水平來適應(yīng)不同蠕變階段對數(shù)據(jù)采集密度的要求。

2.2.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和顯示

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分為主動(dòng)存儲(chǔ)和自動(dòng)存儲(chǔ)2種方式。主動(dòng)存儲(chǔ)內(nèi)容包括試件信息以及每個(gè)LVDT探頭的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，主動(dòng)存儲(chǔ)文件為csv格式，該格式文件為表格文件，便于后期數(shù)據(jù)處理分析。自動(dòng)存儲(chǔ)文件為試驗(yàn)源文件和備份文件，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)，為txt格式。在軟件非正常關(guān)閉情況下，當(dāng)需要繼續(xù)進(jìn)行關(guān)閉前的試驗(yàn)時(shí)，就在打開軟件后選擇打開該文件；若要中止試驗(yàn)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同樣在打開軟件后選擇打開該文件，然后再主動(dòng)存儲(chǔ)為csv格式文件。LVDT實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)在自動(dòng)存儲(chǔ)的同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算，得到蠕變實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。軟件以時(shí)間為橫坐標(biāo)、蠕變位移量為縱坐標(biāo)，將LVDT的實(shí)時(shí)位移變化與試件各自的蠕變位移變化在顯示界面進(jìn)行顯示，如圖7所示。在顯示界面可對顯示曲線的顯示像素、顏色及其橫縱坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到對試驗(yàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)監(jiān)控。

圖7 監(jiān)測界面Fig. 7 Monitoring interface

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果檢驗(yàn)

通過加拿大云杉木材的拉伸及壓縮蠕變試驗(yàn)及其結(jié)果分析，對系統(tǒng)測量精度以及運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)。將試樣的長期蠕變負(fù)載水平設(shè)置為其極限強(qiáng)度值的30%；試樣測試溫度參考ASTM D143-14要求設(shè)置為20 ℃；測試濕度梯度節(jié)點(diǎn)參考環(huán)境氣候箱的濕度極限值設(shè)置為32%，65%，98% 3個(gè)水平；分別進(jìn)行順紋拉伸蠕變測試和順紋壓縮蠕變測試，每組試驗(yàn)的樣品數(shù)量為6條，蠕變試驗(yàn)結(jié)果取6條試件的平均值。2個(gè)試驗(yàn)的具體操作步驟如下。

1)對試件預(yù)先進(jìn)行絕干處理，環(huán)境氣候箱初始環(huán)境參數(shù)設(shè)定為溫度20 ℃、相對濕度32%。

2)待箱內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定后放入試件進(jìn)行加載并開始蠕變測試，前5 h的數(shù)據(jù)采集間隔均設(shè)置為1 min，之后的采集間隔設(shè)置為10 min。

3)對于拉伸蠕變測試，試件先在溫度20 ℃、相對濕度32%的環(huán)境氣候箱中進(jìn)行3.8 d的吸濕蠕變測試；隨后將環(huán)境氣候箱相對濕度調(diào)為65%，進(jìn)行3 d吸濕狀態(tài)下的蠕變測試；然后再將環(huán)境氣候箱相對濕度調(diào)回32%，進(jìn)行3 d解吸狀態(tài)下的蠕變測試。同樣的吸濕和解吸拉伸蠕變測試分別重復(fù)1次，全部測試總時(shí)間為14.6 d，如圖8a所示。

4)對于壓縮蠕變測試，試件先在溫度20 ℃、相對濕度32%的環(huán)境氣候箱中進(jìn)行3 d的吸濕壓縮蠕變測試；隨后將環(huán)境氣候箱相對濕度調(diào)為98%，進(jìn)行3 d吸濕狀態(tài)下的蠕變測試；然后再將環(huán)境氣候箱相對濕度調(diào)回32%，進(jìn)行3 d解吸狀態(tài)下的蠕變測試。同樣的吸濕和解吸壓縮蠕變測試分別重復(fù)4次，全部測試總時(shí)間為30 d，如圖8b所示。

由圖8可以看出，本套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間、穩(wěn)定可靠、高精度的木材拉伸或壓縮蠕變變形量監(jiān)控、測量和記錄的目的。系統(tǒng)運(yùn)行檢測結(jié)果顯示，拉伸蠕變除首次吸濕的蠕變量持續(xù)增加外，其余的蠕變過程吸濕階段蠕變增大，解吸階段蠕變減小。壓縮蠕變除首次吸濕的蠕變量持續(xù)增加外，其余的蠕變過程均符合吸濕階段蠕變減小而解吸階段蠕變增大的機(jī)械吸附蠕變特征，這一規(guī)律與前人研究結(jié)果一致[17-18]。

圖8 濕度循環(huán)下的蠕變曲線Fig. 8 Creep curves under repeated humidity cycle

4 結(jié) 論

木材拉壓一體蠕變監(jiān)測系統(tǒng)符合木材拉伸和壓縮蠕變測試的基本原理，同時(shí)該系統(tǒng)充分考慮了試驗(yàn)的檢測裝置與環(huán)境系統(tǒng)的兼容性、試驗(yàn)測試長期性、數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和精確性以及操作過程的簡易性。經(jīng)連續(xù)濕度循環(huán)條件下的木材機(jī)械吸附蠕變試驗(yàn)驗(yàn)證表明：由該監(jiān)測系統(tǒng)得到的蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性小，出錯(cuò)率低。該系統(tǒng)能將木材在拉伸和壓縮狀態(tài)下蠕變過程中存在的普通蠕變和機(jī)械吸附蠕變特征以及在該過程中木材拉壓蠕變對環(huán)境濕度的響應(yīng)速度、環(huán)境濕度對木材拉壓蠕變的影響程度進(jìn)行清晰地展示，證實(shí)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高精度可控試驗(yàn)環(huán)境條件下木材純拉和純壓蠕變的長期自動(dòng)采集、存儲(chǔ)及顯示，其蠕變測試精度為0.001 mm，完全滿足檢測要求，為木材拉伸和壓縮蠕變規(guī)律及機(jī)理的研究提供了新的測試平臺(tái)。