CC BY
19
3. ТЕХНОЛОГ1Я ТА УСТАТКУВАННЯ Л1СОВИРОБНИЧОГО КОМПЛЕКСУ
УДК 634.0.812 Проф. Б.П. Поберейко, д-р техн. наук асист. Л.О. Флуд -
НЛТУ Украти, м. Львiв
АН1ЗОТРОП1Я ТА АСИМЕТР1Я М1ЦНОСТ1 ДЕРЕВИНИ
Викладено основш результати вiдомих на сьогодш емпiричних дослiджень мщ-ност деревини. Проведено аналiз робiт з вивчення ашзотропн характеристик мiдностi матерiалу, i на його основi встановлено, що абсолютнi значения меж мшносп у рiзних напрямках структурно! симетрн матерiалу е рiзними. Абсолютнi значення меж мiдностi деревини вздовж волокон у десятки разiв е бшьшими за абсолютнi значення меж мщ-ностi поперек волокон. Крiм цього, виявлено, що значення меж мщност деревини е за-лежними не лише вщ напрямку, але i вiд способу деформування.
Ключовi слова: мщшсть, ашзотрошя мiдностi, асиметрш мшносп, межi мiдностi.
Актуальнiсть. Складовими проблеми мiцностi анiзотропних тiл, до кла-су яких належить деревина, е такi задачi: 1) дослiдження залежностей характеристик мiцностi вiд орiентацií до механiчних навантажень вiдносно осей структурно!' симетрц матерiалу; 2) ощнка мiцностi анiзотропних тш зi складним нап-руженим станом.
Цi задачi нерозривно пов'язанi мiж собою. Розв'язки першо!' задачi е основою для побудови поверхш мiцностi матерiалу з об'емним напруженим станом та визначення констант мiцностi для бшьшосп, вiдомих на сьогоднi, критерия мiцностi деревини та iнших кашлярно-пористих гiгроскопiчних полшерних ортотропних матерiалiв. Розв'язки першо!' задачi у часткових випадках е розв'яз-ками друго!', а загальний розв'язок друго!' (критерiй мiцностi) - оцiнкою досто-вiрностi результапв випробовувань матерiалу на мiцнiсть вздовж осей структурно!' симетрц. Тому для удосконалення ввдомих та побудови нових теорiй ко-роткочасно!' та тривало!' мiцностi деревини актуальним е аналiз вiдомих на сьогоднi результатов вiдповiдних емпiричних дослiджень.
Аналiз результата емпiричних дослщжень мiцностi деревини. З ввдо-мих на сьогоднi дослщжень, присвячених вирiшенню першо!' задачi ашзотропп мiцностi деревини, е робота АН. Фласермана [1]. Хоча вона була опублшова-ною у 30-х роках минулого стсшття, однак бiльшiсть сучасних дослiдникiв [24] вважають, що ц результати е значущими i мають вагоме значення для науки про мщшсть полшерних капiлярно-пористих твердих тiл на сучасному етапi ц розвитку. У нiй вперше експериментальним шляхом визначено значення меж мщноеп для деревини сосни з ввдносною вологiстю 12 %, випробовувано!' на одновкний стиск у напрямках, нахилених пiд кутом а<= [0°; 90°] до акаального напрямку анiзотропií матерiалу. Вперше, на прикладi експериментальних вимь рювань меж мiцностi 450 деревних зразкiв з розмiрами 20x20x30 мм, виготов-лених iз трьох колод сосни, виявлено вплив кута нахилу напрямку деформування до одного з головних напрямкiв структурно!' симетрц матерiалу на його мщ-
нкть. Вперше, на емшричному piBHi, пiдтверджено ортотротю мiцностi дере-вини хвойних порщ.
Через двадцять рокiв експериментальнi дослщження АН. Флаксермана удосконалив та ктотно доповнив Ю.М. 1ванов [5]. Щоб виключити розкид ре-зyльтатiв випробовувань деревини на мiцнiсть, Ю.М. 1ванов вирiзав деревнi зразки (30x30x30 мм) i3 однieí сосново! колоди. Колоду розпилювали на дошки, з яких вирiзали бруски з рiзними кутами b повороту граней брyскiв у площиш поперечного сiчення ствола, кутами мiж поверхнею рiчних шар1в та площиною кyтiв a повороту граней зразюв до осi ствола. Для бруска з орieнтацieю b = 0° площина кутав a сшвпадала з площиною рiчних шар1в, з так званою танген-тальною площиною структурно!' симетрц деревини. Кут a визначав кут нахилу напрямку до механiчних одновiсних навантажень до осi ствола. Для бруска з орieнтацieю b = 90° площина кутав a спiвпадала з радiальною площиною си-метрп. Змiнюючи значения кута a у дiапазонi вiд 15° до 20°, 1ванов визначив регресiйнi залежностi меж мщноста sa деревини вiд напрямку li деформування, вiд кута нахилу дц механiчних одновiсних навантажень до акаального напрямку ашзотропп пружних властивостей матерiалy:
s S0 . _ s90 . _ /п
Sa =-Sa= . 2 , Sa=~-, (1)
cos2 a sin2 a sinscosa
де: s0 та s90 - межi мiциостi стиску для аксiального та головних поперечних
напрямк1в ашзотропп деревини; t0 - межа мiцностi деревини випробовувано!
на зсув вздовж волокон.
Формули (1) е узагальненням чисельних резyльтатiв одновiсних випробовувань деревини на мщнкть у рiзних напрямках деформування. У наш час вони шдтверджеш роботами 6.К. Ашкеназi, i, як зазначено у [2], мають важли-ве значення для кшьккно! оцiнки мiцностi деревини зi складним напруженим станом, зокрема можуть бути використаш для перевiрки наявних та побудови нових критерiíв мiциостi.
Не менш оригiнальними щодо виявлення ашзотропп та асиметрц мщ-ностi деревини е роботи Ф.П. Белянкша [6], Н.Л. Леонтьева [7] та iнших дослвд-ник1в. За даними цих робiт для аксiального напрямку структурно! симетрп деревини (а) абсолютш значення меж мiцностi та текучоста у випадку розтягу е меншими за 1'х абсолютнi значення в умовах стиску. Так, наприклад, за Белянкь ним для бiльшостi порвд аксiальна компонента r коефiцiента асиметрп мщнос-тi матерiалy приблизно дорiвнюе 3, а за Леонтьевим - r »1,2... 2,5.
У випадку стиску поперек волокон мщнкть деревини iстотно вiдрiз-няеться вiд мiцностi стиску вздовж волокон. Межа мщноста стиску у танген-тальному напрямку у деревиш хвойних i листяних кiльцесyдинних (за винятком дуба) порiд е достатньо вираженою i li досить легко зафшсувати експеримен-тальним шляхом [2]. У випадку стиску деревини зазначених порщ у радиальному напрямку та шших порiд - як у радiальномy, так i в тангентальному напрямках, виявити та визначити межi текyчостi та мщноста майже неможливо. Тому межу мщноста (текyчостi) деревини, випробовувано! на стиск поперек волокон
прийнято ощнювати за даними експериментальних вимiрювань межi пропор-цiйностi [4].
Ще бшьш проблемною е задача визначення характеристик мщносп деревини поперек волокон в умовах одновкного розтягу. Основна складнкть ïï вирiшення полягае у тому, що у деревиш досить важко сформувати граничний напружений стан розтягу в радiальному та тангентальному напрямках ашзотро-пiï. За даними роби 6. К. Ашкеназi [2], С.В. Тутурша [4] та iнших дослщникш у стандартних деревних зразках Ф.П. Белянкша [6], якi широко використовують у наш час для випробовувань деревини на одновiсний розтяг поперек волокон, о^м деформацiй розтягу, виникають деформацiï зсуву. Понад це, у бшьшосп випадюв розвиток останнiх ктотно випереджае розвиток iнших складових пов-них деформацiй, що й утруднюе фiксацiю граничного напруженого стану розтягу у зазначених зразках. Тому для виртення цiеï проблеми Ю.С Соболев зап-ропонував випробовувати на розрив тонкостiннi кiльцевi зразки шд дiею внут-рiшнього гiдростатичного тиску [8]. Кiльцевi зразки дааметром 60 мм i товщи-ною 2 мм (1-й тип деревного зразка за Ю.С. Соболевим [8]) вирiзають таким чином, щоб ос 1х симетрй' були паралельними волокнам деревини. О^м цього, кут a мiж радiусом кiльця та дотичною будь-якого рiчного кiльця дере-винного зразка повинен задовольняти подвiйну нерiвнiсть: 0° <a< 90o. Випро-бовування проводять на спецiальнiй установщ, у якiй передача гiдростатичного тиску на внутрiшню поверхню юльцевого зразка передаеться через спещальний резиновий балон.
Достошством такого випробовування (за умови забезпечення належного контролю рiвнотовщинностi юльця) е можливкть визначення мiнiмальноï мщ-ностi (межi текучостi) деревини поперек волокон в умовах розтягу. О^м цього, у таких зразках спостеркаеться розвиток лише деформацш розтягу. Од-нак, оскшьки товщина кiльця (2 мм) е спiврозмiрна з шириною рiчного шару (1 мм для сосни та ялини), то зпдно з [9], значення його фiзико-механiчних характеристик ктотно вiдрiзняються вiд значень фiзико-механiчних характеристик матерiалу, кiлькiсть рiчних шарш у якому е набагато бшьшою, нiж у досль джуваному зразку. Тому, оскiльки межi текучосп та мiцностi е механiчними характеристиками твердих тiл, то кiльцевi зразки Ю.М. Соболева е малопридатни-ми для визначення мiцностi розтягу деревини у тангентальному та радiальному напрямках структурно!' симетрй', а вщповщна методика, у випадку деревини, потребуе удосконалення.
Отже, хоча запропонована Ф.П. Белянкшим методика визначення характеристик мiцностi кашлярно-пористих композитних матерiалiв не завжди дае змогу ввдокремити деформацiï розтягу ввд деформацiй зсуву у деревинi. Однак, як зазначено у роботах С.В. Тутурша [4], через вщсутнкть ефектившших та точшших методик вона сьогодш е единим прийнятним варiантом для вивчення граничних напружених станiв у деревиш листяних та хвойних порвд. Згiдно з цiею методикою абсолютш значення меж текучостi деревини випробовувано1 на розтяг поперек волокон становить приблизно 0,02-0,04 ввд абсолютного значення мщносп розтягу вздовж волокон [4]. Бшьше цього, за наявносп крупних
серцевинних промешв значения меж мiцностi деревини у радиальному напрямку е бшьшими, нiж у тангентальному [5, 7].
Висновок. Виявлена анiзотропiя мiцностi та деформативносп деревини, випробовувано!' на стиск та розтяг, обгрунтовуеться мiцнiстю матерiалу кттин-них оболонок, зокрема 1хшм хiмiчним складом. Фундаментальними у цьому напрямку дослiджень е роботи ВВ. Москвтна [10]. Справдi, за даними роботи [9], складовими частинами кттинних оболонок деревини на молекулярному рiвнi е, в основному, молекули лкшну C39H29O6(OH)5 (OCH3)4 i целюлози (C6H10ß5 )n. 1х молекулярна маса становить вiд 5000 до 1000000 вуглецевих оди-
ниць. При таких великих розмiрах макромолекул фiзико-механiчнi властивостi полiмерiв, до класу яких належить деревина, визначаються 1'хшм взаемним роз-ташуванням та будовою [9]. Макромолекули пол1меру - це ланцюги, що скла-даються з окремих ланок. Поперечний перерiз ланцюга становить декшька ангстрем, а довжина - тшм ангстрем. Тому, як зазначае ВВ. Москвтн макромолекулам лкншу та целюлози властива гнучккть. Атоми, якi входять в основ-ний ланцюг, зв'язанi мiцним хiмiчним (ковалентним) зв'язком.
Енергiя хiмiчних зв'язюв (у ккал/моль) становить уздовж ланцюга 80 для С - С, 79 - для С - О, 66 - для С - Н. Сили мiжмолекулярноí взаемодп, що ма-ють фiзичну природу, е значно меншими [10]. Наприклад, мiцнiсть мiж-молеку-лярних зв'язкiв електростатичного характеру не перевищуе 9 ккал/моль. Тому молекули лкншу та целюлози характеризуются мiцними зв'язками у самих макромолекулах i вiдносно слабкими мiж ними. Тому, оскiльки молекули тгш-ну та целюлози у деревиш орiентованi вздовж волокон [9], то ii мiцнiсть в аксь альному напрямку структурно! симетрй' е бшьшою за ii значення у радiальному та тангентальному напрямках.
Лiтература
1. Флаксерман А.Н. Влияние наклона волокон на механические свойства древесины сосны / А.Н. Флаксерман. - М. : Изд-во ГИТИ, 1931. - 48 с.
2. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов / Е.К. Ашкенази. - М. : Изд-во "Лесн. пром-сть", 1978. - 224 с.
3. Сашин М.А. Прогнозирование и повышение долговечности и длительной прочности древесины в строительных изделиях и конструкциях : автореф. дисс. на соискание учен. степени канд. техн. наук: спец. 05.23.05 - "Строительные материалы и изделия" / М.А. Сашин. - Тамбов, 2006. - 18 с.
4. Тутурин С.В. Механическая прочность древесины / С.В. Тутурин. - М. : Изд-во "Компания Спутник+", 2007. - 312 с.
5. Иванов Ю.М. Длительная прочность древесины при растяжении поперек волокон / Ю.М. Иванов, Ю.Ю. Славин // Строительство : Известия ВУЗов. - 1986. - № 10. - С. 22-26.
6. Белянкин Ф.П. Деформативность и сопротивляемость древесины как упруго-вязко-пластического тела / Ф.П. Белянкин, В.Ф. Яценко. - К. : Изд-во АН УССР, 1957. - 200 с.
7. Леонтьев Н.Л. Влияние влажности на физико-механические свойства древесины / Н.Л. Леонтьев. - М. : Изд-во "Госбумиздат", 1962. - 114 с.
8. Соболев Ю.С. Древесина как конструкционный материал / Ю.С. Соболев. - М. : Изд-во "Лесн. пром-сть", 1979. - 248 с.
9. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами товароведения : учебник [для студ. лесотехн. ВУЗов] / Б.Н. Уголев. - М. : Изд-во МГУД, 2002. - 340 с.
10. Москвитин В.В. Сопротивление вязкоупругих материалов / В.В. Москвитин. - М. : Изд-во "Наука", 1972. - 327 с.
Поберейко Б.П., ФлудЛ.О. Анизотропия и асимметрия прочности древесины
Изложены основные результаты известных эмпирических исследований прочности древесины. Проведен анализ работ по изучению анизотропии характеристик прочности материала, и на его основании установлено, что абсолютные значения пределов прочности в разных направлениях структурной симметрии материала различные. Абсолютные значения пределов прочности древесины вдоль волокон в десятки раз превышают абсолютные значения пределов прочности поперек волокон. Кроме того, установлено, что значения пределов прочности древесины являются зависимыми не только от направления но и от способа деформирования.
Ключевые слова: прочность, анизотропия прочности, асимметрия прочности, пределы прочности.
Pobereyko B.P., FludL.O. Anisotropy and Asymmetry Strength of Wood
The main results of empirical studies of known wood strength are provided. The analysis of the work devoted to the study of the anisotropy of the strength characteristics of the material is conducted, and on this basis the absolute values of ultimate strength in different directions of different structural symmetry of the material are found. The absolute values of the ultimate strength of wood along the grain are ten times higher than the absolute value of the maximum strength across the grain. Ultimate strength values are also found to dependent on the wood, not only the direction but also the mode of deformation.
Keywords: strength, strength anisotropy, asymmetry strength, ultimate strength, wood.
УДК 662.61:621 Проф. Н.М. Фиалко1, д-р техн. наук;
вед.н.с. Ю.В. Шеренковский1, канд. техн. наук; м.н.с. Н.В. Майсон1; вед.н.с. Н.О. Меранова1, канд. техн. наук; доц. М.З. Абдулин2, канд. техн. наук;
доц. Л.С. Бутовский2, канд. техн. наук; м.н.с. Н.П. Полозенко1; аспир. А.В. Клищ1; м.н.с. С.Н. Стрижеус1; м.н.с. А.Б. Тимощенко1
ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИНЧАТЫХ ТУРБУЛИЗАТОРОВ ПОТОКА НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЧЕНИЯ И СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ ТОПЛИВА И ОКИСЛИТЕЛЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ СТАБИЛИЗАТОРНОМ ГОРЕЛОЧНОМ УСТРОЙСТВЕ
Представлены данные численных исследований закономерностей эффектов влияния на процессы переноса в цилиндрической стабилизаторной горелке пластинчатых турбулизаторов потока установленных на срывной кромке стабилизатора пламени. Приведены особенности структуры течения топлива и окислителя при наличии и отсутствии турбулизаторов потока. Проанализированы результаты расчетов, касающиеся особенностей процессов смесеобразования в рассматриваемом горелочном устройстве.
Ключевые слова: пластинчатый турбулизатор потока, цилиндрическая стабилиза-торная горелка, CFD-моделирование.
Введение. К важным способам повышения эффективности сжигания топлива в стабилизаторах горелочных устройствах относится интенсификация их рабочих процессов [1-5]. В рамках данной работы рассматривается возможность использования такого метода интенсификации, как установка пластинчатых турбулизаторов потока.
1 Институт технической теплофизики НАН Украины, г. Киев;
2 Национальный технический университет Украины "КПИ", г. Киев
