DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 19.12.2011

Материалы

загрузка...

Научные основы получения конкурентоспособных строительных материалов из низкосортной древесины и древесных отходов

Титунин Андрей Александрович, 19.12.2011

 

=0, (16)

где ?(е) – вклад отдельного элемента в ?.

интегралы в (15) выражены через узловые значения {T}. Причем

, (17)

где r – число узлов элемента, N – функции формы, по одной для каждого узла конечного элемента.

Интегралы в выражении (15) по элементам приводятся к следующему виду

dS, (18)

где [B] – матрица, содержащая информацию, связанную с частными производными функции формы.

Величины q, Tw и ? – известны для материалов из древесины. Они внесены под знак интеграла, т.к. могут изменяться внутри элемента с учетом особенностей процесса передачи тепла от одного конечного элемента к другому. После дифференцирования выражения (18) по {T} и ряда преобразования получены следующие выражения:

=[K(e)]{T}+ {f(e)} , (19)

, (20)

]TdS. (21)

равен

]TdS. (22)

Окончательно система уравнений выглядит так:

[K(e)]{T}+ {f(e)})=0 или [K] {T} = {F}, (23)

Интегралы в (20) определяют глобальную матрицу теплопроводности элемента [K(e)], а интеграл (21) – вектор нагрузки элемента {f(e)}.

В качестве конечного элемента дискретизации предложено рассматривать тетраэдр с четырьмя узлами. Для выбранной формы конечного элемента вычисление интегралов (20) и (21) дает следующие результаты:

+ (24)

Для интеграла (25) существуют три другие формы записи, по одной на каждую из оставшихся сторон тетраэдра. В каждой из них значения коэффициентов на главной диагонали равны двум и значения ненулевых коэффициентов вне главной диагонали равны единице. Коэффициенты в строках и столбцах, соответствующих узлам, расположенным вне рассматриваемой поверхности тетраэдра, равны нулю. Для интеграла (27) тоже существует три другие формы записи. Нулевой коэффициент находится в строке, соответствующей узлу вне рассматриваемой поверхности. Sj,k,l – площадь поверхности, содержащей узлы j, k, l и т.д.

Решение этой задачи возможно при наличии соответствующего программного обеспечения. В данном случае использовался программный модуль тепловых расчетов T-FLEX Анализ.

В работе рассмотрена пятислойная конструкция элемента клееного бруса, наружные ламели которого содержат по одному сучку диаметром 10 мм (сорт А), внутренние содержат по одному сучку диаметром 35 мм. Результат генерации сеточной конечно-элементной модели отрезка клееного бруса представлен на рис.7. В эксперименте использовались следующие параметры временного анализа: время моделирования — 120 мин, шаг моделирования — 5 мин, начальная температура 20 °С, мощность теплового потока 10 Вт.

Рис. 6. Пространственная модель

элемента клееного бруса Рис. 7. Наложение сетки из конечных элементов тетраэдальной формы

В данном случае рассматривается нестационарный процесс, соответствующий реальным условиям работы конструктивного элемента. Получена графическая интерпретация результатов расчета температурных полей в различные моменты времени в пределах заданного временного интервала (рис. 8-9). Анализ полученных результатов показал, что в местах расположения сучков происходит более интенсивное изменение температуры.

Рис. 8. Результаты расчета, ?=15 мин.

Рис. 9. Результаты расчета, ?=120 мин.

Полученные значения температуры использованы для расчета коэффициента теплопроводности клееного бруса. Для инженерных расчетов разработана упрощенная математическая модель (28), позволяющая рассчитывать коэффициент теплопроводности с учетом суммарного объема сучковой древесины:

, (28)

где mi – количество сучков в i-й ламели, шт.; n – количество ламелей в брусе, шт.; B, H, L – соответственно ширина, высота и длина бруса, м; ?i – толщина i-й ламели, м; dсрi – средний диаметр сучков в i-ой ламели, м.

Графическая интерпретация зависимости теплопроводности древесины от размеров и количества сучков представлена на рис. 10.

Рис. 10. Влияние сучковатости на теплопроводность древесины

По результатам натурных обследований древесного сырья и последующей обработки статистических данных установлено, что параметры распределения сучков по поверхности ламелей трех сортов с допустимой погрешностью описываются полиномами не выше третьей степени (рис. 11).

Рис. 11. Параметры сучковатости ламелей сорта А (пример)

Во второй главе также рассмотрены теоретические предпосылки применения фурановых смол в производстве клееных материалов, в частности водостойкой фанеры. Доказано, что предельно допустимые концентрации (ПДК) исходных веществ, применяемых при синтезе фурановых смол, на порядок выше, чем у веществ, применяемых в производстве карбамидоформальдегидных и фенолформальдегидных смол. Опасность интоксикации фурфуролом и его производными маловероятна вследствие низкой летучести этих продуктов при комнатной температуре. Сделан вывод о том, что клееная продукция, изготовленная с применением фурановых смол, по экологическим показателям значительно лучше.

Расчеты показали, что класс опасности предприятия, выпускающего в год около 60 тыс. м3 фанеры и столько же древесностружечных плит (ДСтП), с учетом валового выброса в атмосферу загрязняющих веществ, их токсичности и концентрации в воздухе, уменьшается в 4,3 раза при переходе с карбамидоформальдегидных на фурановые смолы. Кроме того, требуется меньший расчетный воздухообмен в производственных помещениях на растворение вредных веществ до ПДК (ПДК формальдегида 0,5 мг/м3, фурфурола – 10 мг/м3).

Поскольку в лесном фонде промышленно освоенных районов произошло значительное увеличение объемов тонкомерной древесины, которая не находит широкого использования для производства традиционных видов продукции, в работе выполнено обоснование использования тонкомерной древесины для нужд деревянного домостроения (табл.1).

Таблица 1

Основные затраты в производстве древесных композитов

продукции Норма расхода сырья,