1、基于數字圖像相關技術的蒙古櫟鋸材干燥端面應變規律研究木材干縮應變是干燥應力產生的主要原因之一1，當干燥應力超過木材自身的強度極限時會出現翹曲、彎曲、皺縮、開裂等缺陷2，因此木材的干縮、應力及應變檢測尤為重要。木材干縮應變的測量方法包括傳統切片法3、瓦彎法4、聲發射法5和電測法等6。其中傳統切片法和電測法因容易掌握且操作簡單，應用最為廣泛，一直沿用至今。但傳統切片法流程繁多且使用游標卡尺，無法保證測量精度；電測法在測量過程中往往需要將靈敏度較高的壓電式電阻應變片粘貼在木材表面，當木材表面含水率較高時，普通膠黏劑難以粘牢，特效膠黏劑會因膠層過硬而影響木材原有的脹縮性能，應變片粘貼處無法進行正常水分

2、蒸發而使該處干縮失去代表性，不能實現木材干燥過程中表層應變的精準在線檢測。光學檢測手段是以試驗對象物體表面圖像的灰度信息為基礎，使用先進計算機視覺圖像處理技術，將試驗檢測對象的表面變形前后的圖像灰度信息進行對比分析，從而無接觸式測量出變形前后的全場位移和應變情況，可以避免傳統測量方法中存在的問題。20世紀80年代初，Peter7教授團隊提出以數字圖像相關（digital image correlation，DIC）技術可視化木材橫切面收縮行為的方法。不同學者開始以此技術為基礎，探討不同干燥條件下木材干燥過程中尺寸與應力應變的變化并繪制了應變分布等高線圖8-12。Larsen13團隊根據現有的數

3、據建立了原木應力應變模型，模擬結果與DIC測量結果相近，且都預測出端部容易因干燥而開裂。上述研究均證實DIC技術對于實木應力應變的檢測結果相較于傳統游標卡尺線性檢測更為精準，但上述研究對于實木全場應變的分析較弱，溫度討論缺失。干燥過程中干燥應變變化精準檢測、溫度對干燥應變變化影響規律的解明，對于優化干燥工藝、提高干燥質量具有重要意義。本研究以蒙古櫟弦切板鋸材為研究對象，采用DIC技術實時在線監測干燥過程中其端面的應變分布變化規律，分析其不同干燥階段寬度、厚度方向干縮應變以及干縮異向差異（其中寬度、厚度方向分別代表鋸材弦向、徑向），并研究干燥溫度的影響，為優化蒙古櫟鋸材干燥工藝提供數據支撐。1材

4、料與方法1.1試驗材料蒙古櫟（Quercus mongolica），產自黑龍江省大興安嶺地區，50年生，基本密度為0.603 g/cm3，鋸切成尺寸為200 mm（長度）100 mm（寬度，鋸材端面弦向）20 mm（厚度，鋸材端面徑向），初含水率約60%，無缺陷，并用保鮮膜包裹后置于冷藏室保鮮備用。1.2試驗設備DHS-225型恒溫恒濕干燥箱：溫度范圍0150 、均勻度2 、波動度0.5 ，濕度RH范圍30%98%，溫度在2580 時，偏差2%。VID-3D非接觸全場應變測量系統，主要包括兩個分辨率為2 900萬像素、幀率為370 fps的立體攝像機，一個集成發光二極管(LED)光源，一個三腳

5、架，一臺計算機。將兩個攝像頭安裝在一個水平桿上，以合適的角度和距離聚焦在試件的端面。在測量過程中，LED燈放置在適當的位置照亮試件。攝像機透過干燥箱玻璃進行實時拍攝。1.3試驗方法數字圖像相關（DIC）方法是以試驗對象物體表面圖像的灰度信息為分析基礎，使用先進的計算機視覺彩色圖像處理技術，將試驗檢測的物體表層變形前后圖像的灰度信息進行對比分析，從而無接觸式測量變形前后的全場位移和應變情況。為了使試件表面具有較為明顯的灰度梯度特征，試驗前在測試對象被測表面上噴涂白漆和散斑設置處理，并將表面上這些隨機分布的散斑點作為信息傳播載體，通過追蹤變形前后時間段內散斑圖像中形狀相同的散斑點，通過相關公式算法

6、計算，最終得出試件表面的變形場。1.3.1試件散斑點制作選取處于相鄰位置、材質相近、尺寸相同的鋸材進行試驗。在測試之前，鋸材的測試端面須經過拋光和噴漆處理，以產生隨機的黑色散斑圖案來提高光學測量的準確性。預試驗研究發現，漆膜厚度1 mm時，鋸材干燥速率、含水率分布與對照材相比，未出現差異；為得到良好的空間分辨率，噴出的散斑點大小應盡量一致，尺寸大小為510個像素（圖1b）；當散斑點的尺寸小于3個像素（圖1c）時會導致無法分析。圖1散斑點質量示意Fig.1Schematic diagram of scattered spot quality1.3.2干燥工藝設置為討論不同干燥工藝對干燥應變的影響

7、，本研究選擇常規低溫（40 ）與中高溫（80 ）兩組干燥工藝條件。將經上述處理的5塊材性及規格相同的鋸材（由同一塊鋸材長度方向截斷所得）放入恒溫恒濕干燥箱中分別按表1所列工藝進行干燥。其中，1塊鋸材用于DIC形變檢測，1塊鋸材用于平均含水率檢測，3塊鋸材用于含水率分布檢測。為避免玻璃上霧氣對拍攝精度的影響，本研究選擇相對適中的干燥環境。表1干燥試驗條件Tab.1Drying test conditions工藝干球溫度/濕球溫度/相對濕度/%平衡含水率/%工藝140336110工藝2807373101.3.3干燥過程監測干燥過程中，兩臺攝像機以2 min和3 min的預設間隔分別采集DIC檢測鋸

8、材的端面圖像，直至鋸材含水率達到10%左右。定期取出含水率檢測鋸材稱重計算實時含水率，稱重后放回干燥箱原位繼續干燥；當含水率檢測鋸材的含水率分別為60%、20%、10%時（30%含水率時，鋸材端面含水率梯度并不明顯，效果不理想，因此未檢測），取出含水率檢測鋸材，沿纖維方向截取約20 mm厚含水率分布試片，之后進行端面噴漆，再置于干燥箱原位繼續干燥（每組進行3次重復試驗）。含水率分布試片截取方式如圖2所示，寬度方向5等分，厚度方向3等分，稱量各試片當時質量及烘至絕干后的質量，求取含水率分布，之后將數據輸入Origin矩陣工作簿中，通過差分運算得到含水率分布等高線圖。采用VIC-3D9分析軟件和基

9、于DIC原理的VIC-Snap圖像采集軟件對圖像進行分析處理。圖2含水率試片分解示意圖Fig.2Profile of the specimens for the moisture content test在應變分析中，將鋸材端面沿厚度方向均勻劃分出五條直線，分別標注為ET0-ET4（圖3a），以此數值代表厚度方向上五個層的應變。圖3鋸材干燥端面應變分布分析區域劃分Fig.3Analysis area of the dry strain distribution in the cross-section of the testing boards寬度方向同樣均勻劃分出五條直線，分別標注為ER0-

10、ER4，以此數值代表寬度方向上五個層的應變，分析干燥過程中端面應變分布的變化規律。鋸材在厚度方向上5個層的應變趨勢接近，故劃分三條直線，分別標注為ET0-ET2（圖3b），從而得出干燥工藝（溫度）與鋸材干縮異向性之間的聯系。2結果與討論2.1不同干燥溫度時鋸材端面的含水率與應變分布不同干燥溫度時鋸材端面的含水率分布如圖4所示。2種干燥工藝下的鋸材含水率分布呈現中間高，兩側低的趨勢。理論上，含水率分布決定應變分布，但由于木材性質的各異向性，導致應變分布十分復雜。圖4不同干燥階段的含水率分布Fig.4Distribution of moisture contents at different st

11、ages of the drying process不同溫度干燥鋸材的應變分布結果，見圖5和圖6。圖5干燥過程中不同階段的寬度方向應變分布Fig.5Strain distribution in width direction at different stages of the drying process圖6干燥過程中不同階段的厚度方向應變分布Fig.6Strain distribution in thickness direction at different stages of the drying process干燥初期，端面寬度與厚度方向應變值均較小，鋸材收縮不明顯；隨著干燥進行，鋸

12、材水分散失，應變分布呈外大內小的規律，平均含水率降到30%、20%、10%時，80 和40 時，鋸材端面兩側寬度方向應變最大值分別為0.086、0.088、0.093和0.067、0.072、0.074；厚度方向應變最大值分別為0.077、0.098、0.107和0.055、0.054、0.054（正、負數值代表鋸材膨脹與收縮）。80 時，中間與兩側之間應變差最大值為0.059；40 時，差值僅為0.042。80 與40 的趨勢相同，即寬度方向應變值相近，上表層稍大，但應變總體值高于40 。造成上述應變規律現象的原因主要與含水率分布有關。干燥初期，高含水率鋸材幾乎不出現收縮，應變值可以忽略不計

13、。隨著干燥的進行，鋸材兩側含水率率先降至纖維飽和點以下并開始收縮，鋸材中間含水率下降速度慢，應變變化較小，所以全場應變呈現兩側大，中間小但分布相對均勻的規律（數值比較接近，整體顏色較一致）。隨著含水率的進一步下降，芯層（端面中心位置定義為芯層、上下表面定義為表層）含水率逐漸達到纖維飽和點以下，開始收縮。此時，導致芯層應變分布不再均勻，并逐漸增大，最大值為0.093。芯層的收縮，緩和了表層長時間受力的狀態；到干燥后期，芯層一直處于收縮狀態，而表層已收縮完畢，此時芯層的形變較大。而不同溫度的影響主要體現在水分下降速率上，最終導致鋸材不同層的含水率分布差異增大，增加了應變規律的復雜性。總之，上述DI

14、C形變分布規律（應變兩側大中間小的規律），與傳統干燥應變檢測結果相符；與此同時，所獲非接觸、實時的場應變分布信息，進一步揭示了木材干燥應變規律，從而可以根據該方法確定芯表層最大應變出現的時機，為后期進行濕熱處理降低干燥應力-應變峰值提供基礎，對優化常規干燥工藝、實現快速高品質干燥具有重要意義。2.2干燥溫度對鋸材端面寬度和厚度方向干燥應變分布的影響鋸材產生應變主要受含水率分布與材性差異的影響。由2.1節可知，鋸材端面應變分布十分復雜，實時、定量分析整個端面應變規律極為困難；為此，本研究主要提取端面不同位置進行定量表征及分析。圖7為不同干燥溫度下，鋸材端面上不同部位的寬度、厚度方向應變。圖7干燥

15、溫度對鋸材端面寬度和厚度方向干燥應變分布的影響Fig.7Effect of drying process on drying strain distribution in the direction of width and thickness of the specimen end face40和80 時，鋸材寬度與厚度的方向應變呈增長趨勢。其中厚度方向應變增長趨勢相同，最終趨于一致；而寬度方向略有差異，ET0部位應變值一直高于其他部位，且鋸材寬度與厚度方向80 應變數值一直高于40 。造成上述現象的原因仍然與含水率變化及材性差異有關。由于木材的弦向干縮明顯高于徑向（21），導致鋸材沿寬度方

16、向的變化規律較為復雜，不同層間的寬度方向差異隨含水率變化波動較大；與之相對的各層厚度方向干縮應變差異較小，各層變化較一致。而溫度的影響主要體現在含水率下降速率上。溫度導致了表芯層含水率差異增加，因此，增加了寬度與厚度方向的應變數值。仔細觀察發現，在溫度的影響下，在80 時表層（ET0）的應變數值，明顯高于其他層；40 時的變化與其他層變化相近。而ET0與ET4、ET1與ET3應變數據有差異，原因可能與木材結構差異有關。木材結構呈非均質性與各向異性的特點，雖然上述位置在端面呈對稱性分布（理論上形變受水分變化影響相同），但所處木材位置不同（即靠髓心位置不同），為此，導致形變隨含水率變化時，出現一定

17、差異。2.3干燥溫度對厚度與寬度方向的應變差異影響圖8為鋸材寬度、厚度方向干縮率比值。圖8鋸材寬度、厚度方向干縮率比值Fig.8Shrinkage in the width and thickness direction ofQuercus mongolica wood panels由圖8可知，干燥前期（小于600 min），ET0的波動范圍，40 時在-1212內，80 時在-53內；ET1的波動范圍，40 時在-1012，80 時在-22；ET2的波動范圍，40 時在-58，80 時在-44；隨著干燥的進行，干縮差異波動逐漸縮小，但仍呈增長趨勢。干燥后期（大于600 min），40 時，ET0、ET1、ET2波動范圍都在0.81.2內，幾近相同；80 時，波動范圍在0.60.8內，仍有上升趨勢。分析表明寬度方向不同部位存在干縮異向性差異，這也是導致鋸材干燥前期出現開裂的主要原因。3結論1）在本試驗條件內，80 干燥鋸材的