Analysis of the mechanical behavior of wood by means of digital image correlation

Ing. Martin Brabec

Doctoral thesis

Analýza mechanického chování dřeva metodou korelace obrazu

Abstract:

Plnopolní optické metody snímání deformací jako je např. digitální korelace obrazu jsou schopny plně zachytit přirozenou heterogenitu dřeva. Proto se předkládaná práce snaží přispět k tomu, aby se metoda korelace obrazu stala běžnou součástí klasických mechanických zkoušek dřeva. Doplnění standardních snímačů posunutí plno-polními optickými metodami by mělo vést k získání přesnějších mechanických vlastností a umožnit vykonávání i pokročilejších analýz deformačního chování dřeva a kompozitů na bázi dřeva. Experimentální část práce je rozdělena do pěti víceméně nezávislých studií, které jsou zpracovány ve formě vědeckých publikací nebo manuskriptů. Měření byla prováděna na nejpoužívanějších druzích středoevropských dřev, a to na dřevě buku lesního (Fagus sylvatica, L.) a smrku ztepilého (Picea abies, L. Karst). Kromě masivního dřeva, byly mechanické zkoušky prováděny také na nově vyvinutém kompozitním materiálu na bázi dřeva se sendvičovou strukturou. Tento materiál je tvořen jádrem z břízové překližky, které oboustranně oplášťováno tenkou dřevotřískovou deskou. Zkušební tělesa byla zatěžována pomocí klasických mechanických zkoušek jako je prostý tlak, prostý tah, tříbodý ohyb a krut. V první případové studii byla plno-polní deformační data použita pro odhalení příčiny nestandardního deformačního chování smrku a buku během tlakového zatížení podél vláken. Příčina nestandardního chování byla spatřena v náhlém kolapsu (stlačení) kontaktních zón, které jsou ve styku s tlačnými deskami, které způsobilo nulovou až zápornou deformaci (rozpínání) středové části zkušebního tělesa. Cílem druhé případové studie bylo identifikovat pozici neutrální osy v deformačním poli přírodního a tepelně upraveného dřeva buku v průběhu klasické tříbodé ohybové zkoušky. Relativní pozice neutrální osy byla stanovena ze vzájemné polohy neutrální osy a geometrické osy zkušebního tělesa. Geometrická osa byla získána pomocí několika kroků v rámci zpracování digitálního obrazu. Z výsledků je patrné, že netrální osa a geometrická zkušebního tělesa se téměř překrývají, což paltí jak pro přírodní tak i tepelně upravené dřevo buku. Třetí případová studie byla zaměřena na stanovení obou podélných smykových modulů dřeva buku pomocí plno-polních smykových deformací, získaných z jedné krutové zkoušky, v kmbinaci s analytickým řešením pro výpočet distribuce smykového napětí v radiálním a tangenciálním směru na podélně-radiální a podélně-tangenciální rovině dřeva. Oba podélné smykové moduly se vzájemně lišily, přičemž se vzrůstajícím zatížením se rozdíl zvyšoval. V rámci čtvrté případové studie byla provedena verifikace (ověření) elastického materiálového modelu používaného při konečně-prvkových analýzách pomocí plno-polních smykových deformací v okolí zářezů na zkušebních tělesech ve tvaru psí kosti, které byly zatíženy jednoosým tahem. Byla nalezena velmi dobrá shoda mezi numericky predikovanými a experimentálně naměřenými deformacemi pro podélně-radiální i podélně-tangenciální smykovou rovinu. Pátá případová studie se zabývá charakteristikou elastického deformačního chování nově vyvinutého kompozitního materiálu na bázi dřeva se sendvičovou strukturou. Na základě plno-polní analýzy deformací byla identifikována místa, kde dochází k lokální koncetraci deformací. Tyto místa se nacházela v jádře při zatížení kolmo na plochu desky, resp. na krycích deskách při zatížení rovnoběžně s plochou desky. Rozmanitost prezentovaných výsledků potvrdila širokou aplikovatelnost optických metod v materiálové mechanice. Z toho důvodu, lze použití p

Abstract:

lno-polní optické metody založené na principu korelace digitálního obrazu v rámci experimentální mechaniky dřeva a materiálů na bázi dřeva vřele doporučit.

Abstract:

The full-field optical techniques such as e.g. a digital image correlation are capable to fully reflect the natural wood heterogeneity. Therefore, this thesis aspires to contribute to the experimental mechanics of wood and wood-based composites by the implementation of the full-field optical technique based on the digital image correlation to the standard mechanical tests. A supplementation of the conventional displacement sensors should help to obtain more precise mechanical characteristics and to do more sophisticated analyses of the deformation behaviour of wood and wood-based composites. The experimental part of the thesis is divided into the five independent case studies listed as the original papers. The measurements were carried out on the most wide-spread wood species in central Europe such as European beech (Fagus sylvatica, L.) and Norway spruce (Picea abies, L. Karst). Beside the solid wood, the new wood-based sandwich structure, which consists of a core made from birch plywood and the particleboard facings, was investigated too. The loading of the samples was carried out using of the standard mechanical tests such as tension, compression, three-point bending and torsion test. In the first study, the full-field deformation data were used to indentify reasons for the non-standard deformation behaviour of spruce and beech wood during compression parallel to grain. Reason for this was recognized in the abrubt compression of damage zones located near the compression plates, which induced the expansion of the middle zone located between them. The second study aimed to find out neutral axis position in native and thermally modified beech wood during the conventional three-point bending test. The relative neutral axis position was obtained from mutual position of the neutral axis and centroidal axis, which was determined based on the appropriate image processing methods. It was found that the neutral axis and centroidal sample axis are almost coincident. Objective of the third study was to determine both longitudinal shear moduli of beech wood with help of the full-field shear strains, obtained from a single torsion test, together with use of the appropriate analytical solutions for the calculation of the stress distribution within the radial and tangential direction on the longitudinal-radial and longitudinal-tangential sample surfaces. Both longitudinal shear moduli increasingly mutually differed as the load increases. Within the fourth study, verification of the elastic material model used in finite-element analyses was carried out with help of full-field deformations induced around notches within dog-bone shaped sample during the uniaxial tension. Great correlation was found between numerically predicted and experimentally measured strain data sets for both longitudinal-radial and longitudinal-tangential shear planes. The fifth study dealed with the characterization of elastic deformation behaviour of newly developed wood-based composite with a sandwich structure. Based on the full-field strain analysis the local strain concentrations were identified. They took place within the core during flatwise compression, and within the facings, when the edgewise compression test was done. A variety of presented results confirmed widespread applicability of optical methods in the mechanics of materials. Therefore, the utilization of full-field optical method based on digital image correlation in experimental mechanics of wood and wood-based composites can be highly recommended.

Keywords

Korelace digitálního obrazu (DIC), Deformace, Smykový modul pružnosti, Poissonovo číslo, Mechanika, Plno-polní, Posunutí, Youngův modul pružnosti, Tahová zkouška, Poměrná deformace, Napěťově-deformační chování, Mechanické zkoušky, Tlaková zkouška, Ohybová zkouška, Krutová zkouška

Keywords

Mechanics, Digital Image Correlation (DIC), Full-field, Deformation, Displacement, Strain, Stress-strain behaviour, Young's modulus, Shear modulus, Poisson's ratio, Mechanical testing, Compression test, Tension test, Bending test, Torsion test

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 11. 2016

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Václav Sebera, Ph.D.

Mendel University in Brno

Faculty of Forestry and Wood Technology

Doctoral programme / field:
Wood-Working Engineering / Wood Processing and Timber Technology