單板層積材及其數字模擬應用的研究現狀與發展?

左康華 徐文彪 李翔宇 時君友

（北華大學材料科學與工程學院，吉林省吉林市 130000）

目前，我國的土木工程主要以水泥、鋼筋、混凝土等傳統材料為主。在建造和拆除建筑物時產生的建筑廢料不僅占用大量土地，也造成嚴重的環境污染，可回收、可再生的木、竹材作為綠色建材重新回到人們的視野。但木、竹材作為建筑結構用材存在一些不利因素，如其自身的各向異性，木節、樹種繁多，幼齡期與成熟期材質性能差異明顯等。

單板層積材是由多層單板按順紋方向組坯熱壓膠合而成的板材（簡稱LVL），與實木相比，其結構均勻，強度和尺寸穩定性高，因而被用于木結構建筑、橋梁及家具等領域。本文主要對近幾年國內外單板層積材的研究進行梳理，介紹了數值模擬在單板層積材研究中的應用，以期為我國單板層積材和木結構的研究與發展提供參考。

1 單板層積材發展概況

單板層積材分為結構用和非結構用兩類，其中結構用單板層積材用于高承載力領域，如建筑物中的承重構件梁柱、橋梁；非結構用單板層積材應用于受荷載保護或需低承載力的區域，如包裝、車輛、船舶、家具、枕木、建筑物的裝飾柱和門窗框等。

結構用單板層積材主要以中低密度的針葉材為主，如松木、杉木等，較少采用闊葉材如樺木。目前我國列入GB/T 20241—2006《單板層積材》標準的主要為以落葉松、馬尾松為主的針葉材。非結構用單板層積材對樹種要求相對較低，適合膠合板生產的多數樹種都可以納入使用范圍，我國以人工速生材楊木為主。

美國和日本是最大的結構型單板層積材生產國，擁有完整的工業化單板層積材生產線[1]。而我國對該領域的研究起步較晚，直到20 世紀80 年代才有相關人員開展了系統的研究，但迄今為止，大規格結構型單板層積材仍未實現工業化生產，國內結構型單板層積材主要依賴進口。目前我國的單板層積材年產量約為200 萬m3，生產和應用主要為非結構用單板層積材。然而，隨著我國木結構的大規模發展，對結構用單板層積材的需求越來越大[2]，因此，對結構用單板層積材及原料、性能、數值模擬的研究具有重要的實際意義。

2 單板層積材研究現狀

2.1 原材料研究

目前，結構用單板層積材原料以松木、杉木為主，非結構用單板層積材原料以楊木為主，為了擴大單板層積材原材料樹種的選擇范圍，學者們進行了諸多相關研究。

Prakash等[3]采用人工速生材泰米爾（Meliadubia）熱壓制備單板層積材，研究分析了單板層積材靜曲強度、彈性模量、剪切強度，結果表明：板材強度值符合IS:14616—1999 “Laminated Veneer Lumber-Specification”單板層積材規范要求，可作為門窗框架用材。葉雨靜等[4]以來源廣泛的小徑柚木為原材料制備單板層積材，研究表明：單板厚度對單板層積材的靜曲強度和彈性模量有顯著影響。生產相同厚度的單板層積材時，應根據施膠量和實際需要滿足的力學性能選擇合適的單板厚度，以保證成本與質量達到相對平衡。侯云艷等[5]選用竹材為原料，研究竹單板條層積復合材制備工藝的影響因素，采用正交試驗，分析并確定了單板條尺寸規格、膠液濃度、浸漬時間、膠黏劑種類對其物理力學性能的影響。結果表明：板材靜曲強度和彈性模量可達到GB/T 20241—2006 結構用單板層積材100E優等品等級要求，水平剪切強度達到該標準55V-74H等級要求。Haouzali等[6]采用肥沃、深厚、潮濕和粘質4種不同土壤中生長的10 個品種的楊木為原材料制備單板層積材，通過對比分析得出，土壤效應與力學性能無明顯關系。Gilbert等[7]研究采用有大量自然缺陷的亞熱帶早中期（幼齡）人工林硬木制備單板層積材，定量分析6 種不同梁尺寸、4 個等級和3 種硬木樹種（桉樹、黃楊、藍桉）的強度分布關系，對澳大利亞/新西蘭標準AS/NZS 1170. 3“Structural design actions, Part 3: Snow and ice actions, Standards”規定的5 種主要設計荷載組合和3 種損傷累積率參數進行研究，得出單板層積材梁的承載力系數。該承載力系數比成熟齡期原材制成的單板層積材的低5%～12%。Cahyon等[8]以印度尼西亞的速生材雨樹( Anthocephalus macrophyllus ) 為研究對象，采用RAL設計中三因素析因分析，探討單板厚度、幼齡材與成熟材單板比例和單板層數對雨樹單板層積材質量的影響。研究表明：單板厚度和幼齡材與成熟材單板的比例對雨樹單板層積材的比重有影響，幼齡材與成熟材結合時，成熟材單板比例越高，性能越穩定。Purba等[9]以山毛櫸和橡木等次優硬木為研究對象，研究2 種樹種不同厚度和質量對單板層積材力學性能的影響。經對比分析得出：3 mm單板制備的層積材力學性能較佳，其中櫸木性能略優于橡木；木節比例較低的單板制成的單板層積材力學性能優于木節比例較高單板制成的單板層積材。Musselma等[10]研究了單板層積材在2 種持續載荷作用下，位于剪力較低、彎矩較高的跨中三分之一處的木節對其近期和長期撓度及極限承載力的影響。結果表明：位于中等高度的木節對撓度影響不大；在張力或壓縮區域的木節則會增加撓度。該研究有助于合理利用有木節的單板，提高單板利用率。

這些關于單板層積材原材料的研究為實現劣材優用，小材大用，緩解木材資源緊缺，提高木材使用價值等提供了有價值的參考。

2.2 單板層積材增強研究

2.2.1 力學性能增強研究

國內外從制造工藝、單板性能、增強方式等方面對增強型單板層積材進行研究[11]。

李文玲等[12]研究了縱橫混合式組坯對楊木單板層積材力學性能的影響，結果表明：適當增加橫紋組坯可以提高楊木單板層積材的抗拉性能。而隨著橫紋組坯的增加，靜曲強度與彈性模量先減小后增大。Bakalarz[13]在單板層積材梁底部開凹槽加入碳纖維，以達到增強單板層積材力學性能的目的。通過對未加碳纖維、加碳纖維單板層積材力學性能的分析對比，得出加碳纖維的增強效果優于未加碳纖維的結論。鐘偉等[14]研究表明用玻璃纖維布與碳纖維布復合材料可以增強靜曲強度和彈性模量，分步熱壓法可以改善單板層積材水平剪切強度。呂亞會[15]利用玻纖植入和浸漬塑化復合技術增強楊木單板層積材，結合層狀復合材料構成原理與短切纖維混合理論，對比分析了表面潤濕性、表面形貌與化學成分的變化對增強型楊木單板的彈性模量、靜曲強度的影響，研究表明植入密度較高的玻纖-楊木復合單板層積材的力學性能較好。這一研究為楊木中應拉木導致的單板反卷、彎曲和開裂等問題提供了解決方法。Rescalvo[16]以道格拉斯冷杉和楊木為原料，采用碳纖維和玄武巖纖維增強提升單板層積材力學性能，研究發現，碳纖維和玄武巖纖維在木材最薄弱部分加固，可極大提高彎曲性能，從而獲得堅硬的二級楊木層積材或強度較高的次等道格拉斯冷杉層積材。袁朱潤[17]對比分析了用酚醛樹脂浸漬增強處理的中山杉木單板和未處理單板制成的單板層積材力學性能。結果表明：由浸漬處理單板制成的層積材力學性能明顯增強，靜曲強度和剪切強度達到結構用單板層積材國家標準要求，彈性模量達到非結構用單板層積材的標準要求。這一研究利于擴大中山杉木層積材在工程材料上的應用，甚至可用于對彈性模量要求不高但對剪切強度要求較高的結構構件。袁凱宇等[18]采用碳纖維布增強單板層積材梁，研究單板層積材的力學性能，并分析了材料非線性應力-應變關系以及構件的破壞模式、破壞機理。研究表明:碳纖維可增強單板層積材梁極限抗彎承載力。

2.2.2 功能性增強研究

Fleckenstein[19]以二甲基亞砜為溶劑，分別與木質素、木質素裂解產物、有機溶劑苯酚溶解的木質素按比例配成溶液，與商用酚醛樹脂以2∶3的比例混合，處理山毛櫸單板。研究表明加入木質素裂解產物處理的試件比商用酚醛樹脂處理的試件表現出更高的耐候性。因此，工業木質素可在一定程度上替代商用酚醛樹脂，作為單板層積材的改性劑。姬寧等[20]從單板的預處理、膠層處理、成品處理3個方面闡述了實現單板層積材防腐功能的方法。JIN等[21]采用防腐劑季銨銅對楊木單板進行常壓浸漬處理，制備單板層積材，發現防腐處理材與未處理材的力學性能均達到GB/T 20241—2006標準要求，防腐處理材具有良好的膠合與防腐性能。Kurt等[22]選用速生材楊木為原材料制備單板層積材，研究壓制時間對單板層積材可燃性能的影響，結果表明壓制時間對可燃性能無明顯影響。張德榮等[23]采用正交試驗法對毛白楊單板進行阻燃處理，分析得出阻燃劑濃度與單板層積材靜曲強度、剪切強度、彈性模量具有負相關的關系，并確定了最佳的阻燃劑濃度。于雪斐等[24]以慈竹為原材料制備單板層積材，30 d吸水厚度膨脹試驗、濕熱循環老化試驗和6循環加速老化試驗表明，竹單板層積材具有更好的尺寸穩定性，并且加速老化后試件性能無明顯下降。

目前有關單板層積材增強研究取得了諸多成果，但多集中在對單板層材力學性能和可靠性方面，對單板層積材功能性如防腐、阻燃、耐候、耐久性等方面的研究有待加強。

2.3 竹木復合單板層積材

運用木（竹）質重組材料技術，對人工林木材、竹材疏解，樹脂導入，密實重組處理，不僅可以克服如杉木、楊木密度低，材質軟，桉樹、馬尾松等生長應力大，易變形等不足，還可賦予其防腐、耐候等新功能。

郎健珂等[25-26]以零碎短木粘貼竹制備竹-短木組合梁。分別采用乳白膠、特種竹木膠、免釘膠和環氧樹脂膠4 種不同類型的膠黏劑將楠竹粘貼在樟子松上，并確定環氧樹脂膠黏劑效果為最佳。通過對直拼的竹-短木組合梁、竹-實木組合梁、實木梁3 種梁受彎試驗，對比分析其破壞形態、極限承載力和位移延性。研究表明，相比木單板層積材梁，竹-木單板層積材梁的抗彎能力有顯著提升。劉君良等[27]以竹材為增強材料，用低分子量水溶性酚醛樹脂浸漬，制備竹-單板層積材，研究竹與楊木單板混合組坯對力學性能的影響，對比分析得出竹子位于上下表層對單板層積材的力學性能增強效果最明顯。田昭鵬等[28]研究采用竹束和竹席與楊木單板制備竹木復合層積材，研究表明竹束和竹席與楊木單板復合的層積材強度優于楊木單板層積材，分別達到140E、110E優等品要求。竹束與楊木單板復合材膠合性能優于竹席楊木復合材，組坯時全部采用順紋組坯，可彌補竹材膠合性能不良的缺陷。張心安等[29]將二層竹簾分別加在楊木單板層積材上下次表層和一層竹簾加在楊木單板層積材中間，測試對比不同結構對單板層積材的動態與靜態彎曲性能的影響，結果表明：竹材可以增強楊木單板的動態和靜態彎曲性能，整體來說二層竹簾結構的楊木單板層積材強度更好。

現有單板層積材的相關研究大多以盲目的、破壞性試驗及簡單的線性數學分析為主，這不僅使試驗缺乏科學的指導，且造成大量人力資金的浪費。

3 數值模擬在單板層積材研究中的應用

3.1 Box-Behnken設計優化試驗

為優化單板層積材試驗研究，提高試驗效率，國內外研究者將數理模型引入單板層積材試驗研究，將定量與定性分析進行有效結合。如Niu等[30]以大規格竹束單板層積材為研究對象，采用Box-Behnken設計建立影響層合板接長的3 個因素即：搭接長度、板密度和單板厚度的響應面模型，進行多目標優化，結合遺傳算法求解生成高質量搭接參數的最優解。通過對比分析彈性模量、斷裂模量、剪切強度的試驗值與模型預測值，確定了使竹單板層積材搭接力學性能最大化的最佳條件。該研究將竹單板層積材試驗與響應面模型相結合，科學有效地得出當時條件下的最優解。但該試驗考慮的條件不夠全面，對試驗結果的準確性會有一定影響。

3.2 有限元方法應用

有限元方法與其他數值模擬相比具有以下的優點：首先，可以通過細密的單元來描述復合材料的結構性質；其次，采用有限個單元逼近存在復雜邊界的大型連續域問題,可獲得較精確的結果；而且有限元法具有較高的通用性。而木材作為具有各向異性的非均質天然高分子復合工程材料,機械性能與組織結構之間的關系異常復雜,其力學性能表現出強烈的非線性。Sharadendu[31]采用有限元法對復合材料簡支梁進行數值模擬，采用解析法和有限元求解法對簡支梁在不同荷載條件下的受力性能進行分析。對比分析有限元模型與試驗結果，驗證了有限元模型的可靠性，提出了可采用有限元進行結構雙向受力破壞的設計分析。近些年一些學者將有限元分析方法應用于竹木材料研究[32-35]，針對木材特點建立了木材含水率和密度空間分布模型，木材順紋動態壓縮模型，木材彎曲時的變形、彎矩和應力模型，進行仿真分析。金強等[36]通過建立竹材碾壓開纖的有限元力學模型，對比試驗與仿真模型，優化得到碾壓開纖的參數。Tahmasebinia等[37]對3 種不同的竹結構進行有限元分析，每種結構都具有不同的構件曲率和側向支撐系統，初步提出了一套竹材構件的設計準則，可最大限度地發揮其固有的力學性能。

近幾年，國內一些學者開始嘗試將有限元方法應用到單板層積材研究。陳哲理[38]運用有限元模擬速生楊木層積材的熱壓過程，對比分析模擬與試驗結果，繼而通過回歸分析進行優化，得出制作楊木單板層積材的最佳參數，并將軟件數值模擬應用于楊木單板熱壓工藝流程。薛冰等[39]采用不同組坯、不同壓縮率、不同單板厚度和不同環境相對濕度下的樺木、楊木、樟子松單板層積材，研究用Ansys程序分析單板層積材力學性能的可能性，分析了無損檢測動態楊氏模量、靜態彎曲強度、靜曲強度間的線性關系。對比結果表明，縱波傳播法、縱向共振法、彎曲振動法等無損檢測方法結果回歸分析的模糊貼近度與相關性系數大小變化吻合，檢驗線性回歸分析時貼近度可作參考。劉海明[40]對碳纖維布增強單板層積材的制備工藝進行試驗研究，并以試驗為基礎基于有限單元法建立碳纖維增強單板層積材三維幾何模型和有限元模型，試驗結果與仿真結果一致，表明建立的有限元模型準確可行。

3.3 機器學習的應用

隨著計算機軟件技術的發展，計算機領域一些算法的高效性引起了一些學者的關注。Kazi[41]利用機器學習的方法建立了人工神經網絡模型，在滿足所需目標性能的前提下，實現復合材料的目標填充量。使用Python中的Keras庫在TensorFlow后端訓練先前獲得的試驗數據集，然后使用超參數調整和k-fold交叉驗證方法獲得性能更好的模型預測目標填充物量。試驗表明，該方法減少了大量樣品表征的時間，有助于材料設計者有效精準地設計未來試驗，特別是對于單板層積材復雜試驗的設計。褚鑫[42]選取130 種常見的商品用材的木材標本，用Hot Disk熱常數分析儀獲取樣本原始數據。基于自適應神經模糊推理系統和 BP 神經網絡建立兩種木材熱常數計算回歸模型。研究表明，選用這兩種神經網絡算法可以使計算精度與計算資源消耗之間取得較好平衡，同時證明了用粒子群算法優化后的概率神經網絡可對木材樣本所屬“科”的種類進行很好的區分。將神經網絡這種算法模型引入木材研究，可以高效精準建立模型，試驗與模型合理結合可提高試驗的精準度，節省人力、物力成本。將上述方法恰當地應用于單板層積材研究可最大程度優化試驗，節約資源。Nguyen[43]選用原生林斑點桉（Spotted Gum）、人工林南方松和濕地松作為單板層積材的原材料，利用遺傳算法優化混合樹種制造單板層積材。研究結果驗證了所得到的最優構造策略的精準性。

4 結語

單板層積材力學性能優異，在我國主要用于建筑構件、建筑內裝修、集裝箱板、家具等領域。目前我國還未形成大規模的工業化生產，用材資源受限，產品主要依賴進口。今后應注重以下方面的研究：1）高效利用速生人工林與竹材，進一步開發有潛力、有前景的樹種作為單板層積材原料，制備高性能低成本產品；2）目前有關單板層積材的大量研究集中在制造工藝與力學性能等方面，關于防腐、耐候、阻燃等性能的研究較少，未來應注重對功能型單板層積材的研究；3）現有單板層積材研究以破壞性試驗為主，數理分析也以簡單的線性關系為主，試驗具有很大的盲目性，且浪費嚴重。近些年雖已有學者將一些優秀的數理分析模型引入木結構研究，但研究較少，將數值模擬精準應用于單板層積材研究，是完成工業化生產單板層積材原始數據積累的必要一步，今后應是重要的研究和發展方向。