基于数字图像相关技术的蒙古栎锯材干燥端面应变规律研究

蒙古栎（Quercus mongolica），产自黑龙江省大兴安岭地区，50年生，基本密度为0.603 g/cm³，锯切成尺寸为200 mm（长度）×100 mm（宽度，锯材端面弦向）×20 mm（厚度，锯材端面径向），初含水率约60%，无缺陷，并用保鲜膜包裹后置于冷藏室保鲜备用。

DHS-225型恒温恒湿干燥箱：温度范围0~150 ℃、均匀度±2 ℃、波动度±0.5 ℃，湿度RH范围30%～98%，温度在25～80 ℃时，偏差±2%。

VID-3D非接触全场应变测量系统，主要包括两个分辨率为2 900万像素、帧率为3~70 fps的立体摄像机，一个集成发光二极管(LED)光源，一个三脚架，一台计算机。将两个摄像头安装在一个水平杆上，以合适的角度和距离聚焦在试件的端面。在测量过程中，LED灯放置在适当的位置照亮试件。摄像机透过干燥箱玻璃进行实时拍摄。

数字图像相关（DIC）方法是以试验对象物体表面图像的灰度信息为分析基础，使用先进的计算机视觉彩色图像处理技术，将试验检测的物体表层变形前后图像的灰度信息进行对比分析，从而无接触式测量变形前后的全场位移和应变情况。为了使试件表面具有较为明显的灰度梯度特征，试验前在测试对象被测表面上喷涂白漆和散斑设置处理，并将表面上这些随机分布的散斑点作为信息传播载体，通过追踪变形前后时间段内散斑图像中形状相同的散斑点，通过相关公式算法计算，最终得出试件表面的变形场。

1.3.1　试件散斑点制作

选取处于相邻位置、材质相近、尺寸相同的锯材进行试验。在测试之前，锯材的测试端面须经过抛光和喷漆处理，以产生随机的黑色散斑图案来提高光学测量的准确性。预试验研究发现，漆膜厚度1 mm时，锯材干燥速率、含水率分布与对照材相比，未出现差异；为得到良好的空间分辨率，喷出的散斑点大小应尽量一致，尺寸大小为5~10个像素（图1b）；当散斑点的尺寸小于3个像素（图1c）时会导致无法分析。

图1  散斑点质量示意

Fig.1  Schematic diagram of scattered spot quality

1.3.3　干燥过程监测

干燥过程中，两台摄像机以2 min和3 min的预设间隔分别采集DIC检测锯材的端面图像，直至锯材含水率达到10%左右。定期取出含水率检测锯材称重计算实时含水率，称重后放回干燥箱原位继续干燥；当含水率检测锯材的含水率分别为60%、20%、10%时（30%含水率时，锯材端面含水率梯度并不明显，效果不理想，因此未检测），取出含水率检测锯材，沿纤维方向截取约20 mm厚含水率分布试片，之后进行端面喷漆，再置于干燥箱原位继续干燥（每组进行3次重复试验）。

含水率分布试片截取方式如图2所示，宽度方向5等分，厚度方向3等分，称量各试片当时质量及烘至绝干后的质量，求取含水率分布，之后将数据输入Origin矩阵工作簿中，通过差分运算得到含水率分布等高线图。采用VIC-3D9分析软件和基于DIC原理的VIC-Snap图像采集软件对图像进行分析处理。

图2  含水率试片分解示意图

Fig.2  Profile of the specimens for the moisture content test

在应变分析中，将锯材端面沿厚度方向均匀划分出五条直线，分别标注为E_T0-E_T4（图3a），以此数值代表厚度方向上五个层的应变。

图3  锯材干燥端面应变分布分析区域划分

Fig.3  Analysis area of the dry strain distribution in the cross-section of the testing boards

宽度方向同样均匀划分出五条直线，分别标注为E_R0-E_R4，以此数值代表宽度方向上五个层的应变，分析干燥过程中端面应变分布的变化规律。

锯材在厚度方向上5个层的应变趋势接近，故划分三条直线，分别标注为E_T0'-E_T2'（图3b），从而得出干燥工艺（温度）与锯材干缩异向性之间的联系。

不同干燥温度时锯材端面的含水率分布如图4所示。2种干燥工艺下的锯材含水率分布呈现中间高，两侧低的趋势。理论上，含水率分布决定应变分布，但由于木材性质的各异向性，导致应变分布十分复杂。

图4  不同干燥阶段的含水率分布

Fig.4  Distribution of moisture contents at different stages of the drying process

不同温度干燥锯材的应变分布结果，见图5和图6。

图5  干燥过程中不同阶段的宽度方向应变分布

Fig.5  Strain distribution in width direction at different stages of the drying process

图6  干燥过程中不同阶段的厚度方向应变分布

Fig.6  Strain distribution in thickness direction at different stages of the drying process

干燥初期，端面宽度与厚度方向应变值均较小，锯材收缩不明显；随着干燥进行，锯材水分散失，应变分布呈外大内小的规律，平均含水率降到30%、20%、10%时，80 ℃和40 ℃时，锯材端面两侧宽度方向应变最大值分别为－0.086、－0.088、－0.093和－0.067、－0.072、－0.074；厚度方向应变最大值分别为－0.077、－0.098、－0.107和0.055、－0.054、－0.054（正、负数值代表锯材膨胀与收缩）。80 ℃时，中间与两侧之间应变差最大值为－0.059；40 ℃时，差值仅为－0.042。80 ℃与40 ℃的趋势相同，即宽度方向应变值相近，上表层稍大，但应变总体值高于40 ℃。

造成上述应变规律现象的原因主要与含水率分布有关。干燥初期，高含水率锯材几乎不出现收缩，应变值可以忽略不计。随着干燥的进行，锯材两侧含水率率先降至纤维饱和点以下并开始收缩，锯材中间含水率下降速度慢，应变变化较小，所以全场应变呈现两侧大，中间小但分布相对均匀的规律（数值比较接近，整体颜色较一致）。

随着含水率的进一步下降，芯层（端面中心位置定义为芯层、上下表面定义为表层）含水率逐渐达到纤维饱和点以下，开始收缩。此时，导致芯层应变分布不再均匀，并逐渐增大，最大值为0.093。芯层的收缩，缓和了表层长时间受力的状态；到干燥后期，芯层一直处于收缩状态，而表层已收缩完毕，此时芯层的形变较大。而不同温度的影响主要体现在水分下降速率上，最终导致锯材不同层的含水率分布差异增大，增加了应变规律的复杂性。

总之，上述DIC形变分布规律（应变两侧大中间小的规律），与传统干燥应变检测结果相符；与此同时，所获非接触、实时的场应变分布信息，进一步揭示了木材干燥应变规律，从而可以根据该方法确定芯表层最大应变出现的时机，为后期进行湿热处理降低干燥应力-应变峰值提供基础，对优化常规干燥工艺、实现快速高品质干燥具有重要意义。

锯材产生应变主要受含水率分布与材性差异的影响。由2.1节可知，锯材端面应变分布十分复杂，实时、定量分析整个端面应变规律极为困难；为此，本研究主要提取端面不同位置进行定量表征及分析。图7为不同干燥温度下，锯材端面上不同部位的宽度、厚度方向应变。

图7  干燥温度对锯材端面宽度和厚度方向干燥应变分布的影响

Fig.7  Effect of drying process on drying strain distribution in the direction of width and thickness of the specimen end face

40和80 ℃时，锯材宽度与厚度的方向应变呈增长趋势。其中厚度方向应变增长趋势相同，最终趋于一致；而宽度方向略有差异，E_T0部位应变值一直高于其他部位，且锯材宽度与厚度方向80 ℃应变数值一直高于40 ℃。

造成上述现象的原因仍然与含水率变化及材性差异有关。由于木材的弦向干缩明显高于径向（2∶1），导致锯材沿宽度方向的变化规律较为复杂，不同层间的宽度方向差异随含水率变化波动较大；与之相对的各层厚度方向干缩应变差异较小，各层变化较一致。

而温度的影响主要体现在含水率下降速率上。温度导致了表芯层含水率差异增加，因此，增加了宽度与厚度方向的应变数值。仔细观察发现，在温度的影响下，在80 ℃时表层（E_T0）的应变数值，明显高于其他层；40 ℃时的变化与其他层变化相近。而E_T0与E_T4、E_T1与E_T3应变数据有差异，原因可能与木材结构差异有关。

木材结构呈非均质性与各向异性的特点，虽然上述位置在端面呈对称性分布（理论上形变受水分变化影响相同），但所处木材位置不同（即靠髓心位置不同），为此，导致形变随含水率变化时，出现一定差异。

图8为锯材宽度、厚度方向干缩率比值。

图8  锯材宽度、厚度方向干缩率比值

Fig.8  Shrinkage in the width and thickness direction of Quercus mongolica wood panels

由图8可知，干燥前期（小于600 min），E_T0'的波动范围，40 ℃时在-12～12内，80 ℃时在-5～3内；E_T1'的波动范围，40 ℃时在-10～12，80 ℃时在-2～2；E_T2'的波动范围，40 ℃时在-5～8，80 ℃时在-4～4；随着干燥的进行，干缩差异波动逐渐缩小，但仍呈增长趋势。干燥后期（大于600 min），40 ℃时，E_T0'、E_T1'、E_T2'波动范围都在0.8～1.2内，几近相同；80 ℃时，波动范围在0.6～0.8内，仍有上升趋势。分析表明宽度方向不同部位存在干缩异向性差异，这也是导致锯材干燥前期出现开裂的主要原因。