基于木材结构参数确定木材物理、力学特性的分析方法及其仪器技术

本发明专利技术提出一种基于木材结构参数确定木材物理、力学特性的分析方法和仪器。该仪器包括：输入键盘，计算机主机，显示器或／和打印输出装置，所述计算机主机内包括：１）输入单元，包括：用于接收木材结构参数的输入模块，参数辨识、校对及控制器，加法器；２）接口引擎单元，包括：开启Ｍａｔｌａｂ引擎的模块，数据缓冲区，实现木材结构参数数据格式转换的模块，神经元网络模型文件的调用模块；３）神经元网络非线性逼进单元，包括：用于确定木材结构参数影响木材物理力学特性的权值函数的计算模块，用于通过自学习神经元网络层权值修正模块并产生权值的线性函数的模块；４）输出单元，包括：材性量化指标的输出模块和相关输出曲线的输出模块。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种由木材结构参数确定木材物理、力学特性的分析方法及其仪器。这些分析可以为木材科学领域的木材性质研究、探讨木材性质形成机理、树木优质种质资源培育、树木转基因工程、定向培育材质改良的树木新品种等方面提供科学依据及量化指标。
技术介绍
森林除了提供木材和非木质产品，更重要的是其在改善空气质量、维护全球碳平衡、保护生物多样性、保持水土、涵养水源、防风固沙和提供优美的生活环境等方面都起着重要的作用。作为森林组成的部分—木材，是传统的材料，一直为人类所利用。随着自然资源和人类需求发生变化和科学技术的进步，木材的利用越来越广泛。例如，木质材料在建筑、家具、包装、铁路等领域发挥着巨大的作用。在不可再生资源日益枯竭、人类社会正在走向可持续发展的今天，木材以其特有的固碳、可再生、可自然降解、美观和调节室内环境等天然属性，以及强度-重量比高和加工能耗小等加工利用特性，将为社会的可持续发展做出显著贡献。如何更好地利用这些特性，最大限度地限制其副作用，以及从树木的遗传学角度认识和改良木材的基本特性是木材科学家和工程技术专家长期努力解决的主要问题。目前，国内外专家学者主要是从以下几方面开展对木材的研究●用生物学理论研究树木生长的技术问题，重点研究木材材质、材性与生物形成、加工利用的关系。在提高木材形成速度的基础上，重点研究分子遗传标记、木素基因转移、木素形成基因分离和克隆、木材主要性质的基因定位、木材纤维分子数量遗传学等遗传改良技术，提高木材基本性质的遗传稳定性；研究树木立地条件、初植密度、施肥、间伐、修枝等树木生长改良条件对木材性质和质量的影响；研究木材生长应力的形成和释放；以及研究开发立木染色和方形树木的培育技术。●运用先进的科学理论和方法，深入研究木材的微观结构、成分及其与性能的关系，为开发新的生物材料奠定科学基础。重点研究领域有人工林木材的幼龄材与天然林木材的成熟材的比较生物学、比较解剖学、比较物理学、比较化学和比较力学；植物材料的基本特性与细胞壁超微结构的关系。●木结构工程学(wood engineering)深人研究木质材料的性质(property)和行为(performance)之间的关系。重点研究木结构的振动、疲劳、接合和老化性，如木棚破坏机理及木质结构材料的强度预测；木质材料的天然耐久性和蠕变性；木材的弹塑性变形与强度；木构件连接强度与应力应变关系；木材机械连接结构性能；木刺胶合构件的连结方法；钢筋与胶合木梁的连接性能；木构件结合部位的耐火性能；木结构耐久性因素在地震条件下的行为；铝箔蜂窝夹芯胶合板作为轻体绝缘天花板的性能；大型木构件燃烷性能和承载性能。●木基复合材料学，木材是天然材料，使用范围受自身物理力学性质的限制。木板、木条、单板、刨花或纤维等木材组元与有机高分子、无机非金属或金属等增强体、功能体复合组成木基复合材料，包括木材/橡胶层积复合地板、木材单板/玻璃纤维/铝三元复合材料、石膏刨花板、水泥刨花板、木纤维/合成纤维复合材料、注塑型木粉/塑料复合材料、木质导电材料和木材陶瓷等。这些木基复合材料具有原始木材所不具备的新的物理力学性能。当前的研究重点是木基复合材料的成分、结构、工艺、性质和行为之间的关系以及界面特性，按照产品最终用途要求的性能进行材料设计和制造。●研究开发木塑复合材料，如合成高分子/木粉(木材纤维、木材刨花、木材单板)等复合材料，其目标是降低成本、增加柔性和可循环利用性、加工性、灵活设计性和提高强度。研究领域有木材/高分子复合材料的阻尼特性，相溶剂和偶联剂对复合材料的二次力学性能的影响；利用超临界流体处理技术和等离子体处理技术提高木材/塑料界面反应性能；应用反向气相色谱，研究控制木材纤维/高分子复合材料界面结构和性质的基本物理化学参数，利用紫外光、钻60辐照源、庐射线和γ射线使高分子单体与木材发生交联反应，研究木材与其他材料的复合制造理论和性能评价。●木基复合材料研究的另一个前沿是木质材料的功能化，大致可分为填充、混杂、复合和表面覆盖等方法，如将导电性填料填充到木材中，将导电性短纤维与木材纤维或木粉混杂和复合。还可将导电性纤维与木纤维混杂制成具有导电功能的纸张，使纸张的外部或内部成为连续选择性导电材料。增加木质板材产品的附加值，在室内装修、办公用家具、公共场所等应用领域有广阔的前景。●木材陶瓷是用木质材料与热固性树脂制成的、在高温绝氧条件下烧结而成的多孔性碳素材料，具有新的功能。木材陶瓷的烧结温度和温升速度与其力学性质的关系。●木质重组材，随着大径级木材的减少和木材使用性能要求的提高，原始木材的天然特性难以满足需要。将木材加工成木板、木条、单板、刨花或纤维等组元，利用现代技术将木材组元重组为新型木质材料，如胶合木梁、单板层积材、定向成材、胶合板、重组装饰薄木、单板层积中空圆柱材、定向刨花板、刨花板和纤维板等，这种木质重组材料具有原始木材所不具备的几何性能、同一性、均匀性和曲面成形性。木质重组材料研究的重点是生产过程最优化，对定向刨花板的板坯铺装进行计算机模拟，建立性能预测数学模型，由性能/成本比来决定生产工艺和原材料的选用；木质重组材料正在取代大断面实木部件，其主要工程性能(如强度和耐久性)除了与木材组元有关外，还与胶粘物质的自身性质和固化状态有关，应用碳13CP/MAS/NMR，可有效地揭示木材/胶粘剂胶合界面的分子结构和已固化胶粘剂的动力学特性；建NonteCarlo模型，深化对大片刨花板板坯内部结构和相关性能的了解；应用复合材料理论预测木质重组材料的强度和韧性；改善木质重组材料的耐火性、强度和尺寸稳定性。●木制品先进制造技术在传统的木材机械加工学基础上，不断吸收机械、电子、信息及现代化管理技术等领域的成果，学科延伸扩大到木制品的产品设计、制造、生产、检测、管理和服务等全过程，广泛采用机器人、计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数控加工中心、敏捷制造技术、柔性生产技术等先进制造技术。以计算机支持的仿真技术为前提，对木制品的设计、加工、装配等全过程进行统一建模。在产品设计阶段，实时、并行地模拟出产品未来的制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品的性能、产品生产技术、产品的可制造性，从而更有效、更经济、柔性灵活地组织生产，使工厂和车间的设计与布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本的最小化、产品设计质量的最优化和生产效率最高化。这对满足未来市场多样化、消费个性化、小批量多品种产品的需要具有重要意义。综上所述，从森林的培育到木材的综合利用，都与树木及木材的内部结构息息相关。为此，国内外专家学者都在木材内部结构与物理及力学关系上问题上开展了大量的研究。克恩(Cown)在(Cown et al.1991)给出了木材的螺旋纹理与木材的力学强度的关系模型，通过该模型可知螺旋纹理对木材的干燥程度和力学强度的关系，并给出根据螺旋纹理的分布状态、方向和角度确定其木材加工方法，已部分地缓解强度降低、开裂等问题。哈里斯(Harris)研究了木材纹理与木材种类的关系，并得出大部分木材呈螺旋纹理仅有少部分木材呈直纹理状态的结论(Harris 1973，1989)。狄普(Draper)、史密斯(Smith)用线性或非线性的方法对木材结构的单一特征与密度、强度等建立了回归模型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于木材结构参数确定木材物理、力学特性的分析方法，该方法利用了输入键盘，计算机主机，显示器或／和打印输出装置，其特征是包括如下步骤：１）通过所述输入键盘接收木材结构参数，经过参数辨识、校对及控制，再经过加法器，参数输出到接口引擎；２）首先开启Ｍａｔｌａｂ引擎，然后开辟一个数据缓冲区，在此区内实现木材结构参数的数据格式转换，神经元网络模型文件的调用，完成数据的初步处理和传送；３）经过初步处理的数据传递给神经元网络非线性逼进单元，先计算出用于确定木材结构参数影响木材物理力学特性的权值的权值函数，然后通过自学习神经元网络层权值修正并产生权值的线性函数；４）将计算出的材性量化指标和相关输出曲线通过所述显示器或／和所述打印输出装置显示输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于木材结构参数确定木材物理、力学特性的分析方法，该方法利用了输入键盘，计算机主机，显示器或/和打印输出装置，其特征是包括如下步骤1)通过所述输入键盘接收木材结构参数，经过参数辨识、校对及控制，再经过加法器，参数输出到接口引擎；2)首先开启Matlab引擎，然后开辟一个数据缓冲区，在此区内实现木材结构参数的数据格式转换，神经元网络模型文件的调用，完成数据的初步处理和传送；3)经过初步处理的数据传递给神经元网络非线性逼进单元，先计算出用于确定木材结构参数影响木材物理力学特性的权值的权值函数，然后通过自学习神经元网络层权值修正并产生权值的线性函数；4)将计算出的材性量化指标和相关输出曲线通过所述显示器或/和所述打印输出装置显示输出。2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征是，所述步骤1)中所接收的木材结构参数包括下列参数中的一种或其组合a.基于对木材整体模型进行宏观分析的木材解剖微观参数；b.分开年龄段进行木材材性指标分析的参数；c.重要解剖参数。3.根据权利要求1所述的分析方法，其特征是，所述步骤3)中神经元网络非线性逼进运算至少包括如下两个步骤a.在神经元网络的第一层，先进行标准化处理，再经神经元网络隐含层权矩阵的初步确定，然后计算出欧氏距离，最后通过自学习模型的修正后产生标准的权值函数；b.在神经元网络的第二层，将收到第一层权值函数通过网络线性层权矩阵进行修正，再进行正规化处理，产生权值的线性函数，最后达到木材物理力学特性的理想输出。4.根据权利要求2所述的分析方法，其特征是，所述对a.基于对木材整体模型进行宏观分析的木材解剖微观参数的接收包括对下列参数的接收微纤丝角、胞壁率、射线比量、管胞比量、早材管胞长度、晚材管胞长度、早材管胞宽度、晚材管胞宽度、早材管胞T-壁厚度、晚材管胞T-壁厚度、早材管胞R-壁厚度、晚材管胞R-壁厚度、早材管胞T-直径、晚材管胞T-直径、早材管胞壁腔比、晚材管胞壁腔比、早材管胞腔径比、晚材管胞腔径比。5.根据权利要求3所述的分析方法，其特征是，所述运算按下列数学表达式进行[pn，meanp，stdp，tn，meant，stdt]＝prestd(p，t)参数意义p网络输入向量t目标输出向量pn 量化后的输入向量meanp输入向量的均值stdp...

【专利技术属性】
技术研发人员：江泽慧，周玉成，姜笑梅，井元传，吕建雄，赵亮，弗本华，秦特夫，黄洛华，任海青，赵有科，殷亚方，刘君良，余雁，
申请(专利权)人：周玉成，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]