一种实木弯曲成型回弹量预测方法与流程

本发明涉及数字化建模与回弹预测，且更为具体地，涉及一种实木弯曲成型回弹量预测方法。

背景技术：

1、实木弯曲成型技术是将木材通过蒸汽软化、模具约束弯曲、冷却固化等工序制成具有曲线形态构件的重要加工手段，广泛应用于高档家具、建筑装饰及交通运输工具等领域。在弯曲成型过程中，实木材料经历模具约束下的弯曲变形后，由于木材纤维层沿厚度方向存在拉伸侧与压缩侧的应力分布不均，且木材细胞壁在湿热作用下产生塑性变形与粘弹性松弛，当脱模冷却时，内应力释放导致弯曲构件发生回弹变形。回弹量受木材含水率、软化温度、弯曲半径、木材厚度、纤维排列方向等多因素耦合影响，直接决定最终产品的曲率精度与尺寸稳定性。长期以来，木材科学与加工领域围绕实木弯曲回弹问题开展了大量研究。早期研究主要基于经典梁弯曲理论和实验回归方法，对弯曲过程中木材的中性层迁移、回弹变形进行力学分析，并通过数学拟合建立回弹量与工艺参数之间的经验关系。部分研究尝试采用广义kelvin模型或burger模型描述木材的粘弹性蠕变行为，并基于动态热机械分析数据拟合短期蠕变曲线。在数值模拟方面，有限元方法被引入木材弯曲成型分析，研究者利用ansys等软件对弯曲构件的应力分布进行仿真计算。此外，近红外光谱技术也被用于预测木材的抗弯弹性模量和抗弯强度，为弯曲成型参数选择提供材料性能数据支持。总体而言，现有研究已认识到回弹问题是制约实木弯曲成型精度的核心难题，并从实验测试、理论分析和数值仿真等角度开展了诸多探索。

2、然而，现有实木弯曲回弹预测技术仍存在若干关键不足。其一，现有预测方法多基于均匀材料假设或单一平均模量，未能充分考虑木材沿厚度方向因湿热梯度、纤维排列差异和弯曲应变分布不均所导致的层间力学性能非均匀性。木材作为天然正交各向异性材料，其弹性模量、松弛特性和塑性变形能力沿厚度方向存在显著差异，而现有模型缺乏对厚度方向分层力学状态的有效表征手段。其二，现有回弹预测模型对弯曲过程中拉伸侧与压缩侧储能差异的刻画不足。木材在弯曲时受拉侧纤维承受拉伸应力、受压侧纤维承受压缩应力，两侧的细胞壁变形机制和塑性流动行为存在本质差异，但现有方法通常采用对称的弹塑性本构或忽略拉压非对称性，无法准确描述拉压不平衡能量对回弹驱动的作用机理。其三，现有方法对脱模冷却过程中木材湿热松弛特性的处理较为粗略，多采用固定折减系数或简单指数衰减形式，未能将层温、层含水率和纤维排列角对松弛行为的耦合影响纳入残余应力分布的计算框架。其四，现有回弹量计算公式大多基于小变形假设和线性弯曲理论，当弯曲半径较小、厚径比较大时，厚度方向应变分布显著偏离线性假设，导致预测精度大幅下降。此外，现有方法中大量修正参数依赖人工经验设定，缺乏基于同批次试验数据的系统性标定机制，难以实现跨树种、跨厚度等级和跨工艺条件的通用预测。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种实木弯曲成型回弹量预测方法，一定程度上解决实木弯曲脱模后因拉压应力不均形成残余力矩致回弹,受含水率、温度、半径、厚度、纤维方向等多因素耦合影响,现有工艺依赖经验补偿,无法在成型前定量预测回弹量,导致模具补偿角度设置不精确需反复试模修正的问题。

2、根据本发明的一个方面，提供了一种实木弯曲成型回弹量预测方法，其包括：

3、对经蒸汽软化的实木弯材在模具约束弯曲过程中获取厚度方向分层的应变数据和材料力学参数，并据此建立分层力学数据；

4、基于所述分层力学数据计算各层储能并区分受拉侧与受压侧，得到表征拉压不平衡程度的能量指标；

5、基于所述能量指标和脱模冷却特性计算残余应力分布并求得等效回弹力矩；

6、基于所述等效回弹力矩、构件抗弯刚度以及初始成型曲率半径计算回弹后的曲率半径及回弹量预测值。

7、进一步地，所述各层储能的计算包括：计算各纤维受力层在弯曲保持阶段的物理应变能密度，并结合各层相对于弯曲中性层的力臂距离生成回弹驱动应变能密度；

8、所述回弹驱动应变能密度的确定方式为：

9、

10、其中，为第i个纤维受力层的回弹驱动应变能密度，为弯曲保持计算区间，为采样时刻权重，为第i层在采样时刻的测量可靠度系数，为力臂敏感修正系数，为第i层在采样时刻的湿热软化等效弹性模量，为第i层瞬时应变；

11、所述力臂敏感修正系数的确定方式为：

12、

13、其中，为第i层中心的厚度坐标，为采样时刻的中性层坐标，为弯材厚度，和为通过同批次木材回弹标定获得的修正参数。

14、进一步地，所述和通过前期标定阶段的反求获得，所述反求包括：

15、选取与待加工弯材同树种、同厚度等级、同纹理方向范围和同含水率调节过程的标准试件，设置三组以上不同成型半径工况，分别测量各工况下的实测回弹量；以所述实测回弹量与预测回弹量之间的残差平方和最小为目标，采用非线性最小二乘算法或levenberg-marquardt算法反求和，并将反求结果写入参数库供在线预测调用。

16、进一步地，所述残余应力分布通过以下方式确定：

17、利用所述能量指标得到内应力不平衡释放系数；

18、针对每一纤维受力层，根据其层温、层含水率和纤维排列角，从同批次木材的湿热松弛参数库中获取松弛保持系数；

19、将所述内应力不平衡释放系数、所述松弛保持系数、拉压侧残余转换修正系数以及由物理应变能密度换算的等效应力相乘，得到该层脱模后的残余应力；

20、再将该层残余应力乘以层截面面积和相对于脱模时刻中性层的力臂距离，得到该层对回弹力矩的贡献，汇总全部纤维受力层的力矩贡献得到所述等效回弹力矩。

21、进一步地，所述松弛保持系数通过松弛分支权重和松弛分支特征松弛时间按照如下方式确定：

22、

23、其中，为第i纤维受力层的松弛保持系数，为松弛分支数量，为第i层第m个松弛分支的权重系数，为第i层第m个松弛分支的特征松弛时间，为层温，为层含水率，为纤维排列角，为弯曲保持计算区间的代表时刻，为脱模后冷却时刻。

24、进一步地，所述拉压侧残余转换修正系数通过同批次试样的拉伸卸载试验和压缩卸载试验获得：

25、对同批次薄层试样分别施加与目标弯曲状态相对应的拉伸应变和压缩应变，经过相同湿热条件保持后卸载，记录冷却后的残余变形或残余应力，将拉伸侧和压缩侧的残余保持差异整理为随温度、含水率和纤维排列角变化的参数表；

26、在线计算时，受拉层调用拉伸侧残余转换修正系数，受压层调用压缩侧残余转换修正系数。

27、进一步地，所述构件抗弯刚度为分层等效抗弯刚度，所述分层等效抗弯刚度通过将各纤维受力层在脱模冷却状态下的等效弹性模量、冷却固化有效系数、局部截面惯性项和平行轴惯性项相乘后累加得到；

28、所述回弹量预测值的确定方式为：将所述等效回弹力矩除以所述分层等效抗弯刚度得到曲率恢复量，结合几何非线性修正系数对所述曲率恢复量进行修正，从初始成型曲率中扣除修正后的曲率恢复量得到脱模后曲率，将所述脱模后曲率取倒数得到回弹后的曲率半径，计算所述回弹后的曲率半径与初始成型曲率半径之差得到回弹量预测值。

29、根据本发明的另一方面，提供了一种实木弯曲成型回弹量预测系统，其包括：

30、分层力学数据构建模块，用于对经蒸汽软化的实木弯材在模具约束弯曲过程中获取厚度方向分层的应变数据和材料力学参数，并据此建立分层力学数据；

31、能量不平衡分析模块，用于基于所述分层力学数据计算各层储能并区分受拉侧与受压侧，得到表征拉压不平衡程度的能量指标；

32、残余应力与回弹力矩求解模块，用于基于所述能量指标和脱模冷却特性计算残余应力分布并求得等效回弹力矩；

33、曲率修正与回弹量预测模块，用于基于所述等效回弹力矩、构件抗弯刚度以及初始成型曲率半径计算回弹后的曲率半径及回弹量预测值。

34、与现有技术相比，本发明提供的实木弯曲成型回弹量预测方法，其通过获取厚度方向分层的应变数据和材料力学参数以建立分层力学数据，并基于各层储能计算区分拉压两侧以得到表征拉压不平衡程度的能量指标，进而结合脱模冷却特性计算残余应力分布及等效回弹力矩，最终求解回弹后的曲率半径及回弹量预测值。这样，能够充分表征木材沿厚度方向的层间力学性能非均匀性，克服了传统方法基于均匀材料假设的预测偏差；同时准确刻画了拉伸侧与压缩侧的储能差异，弥补了现有模型忽略拉压非对称力学行为的理论缺陷；并通过将层温、层含水率和纤维排列角对松弛行为的耦合影响纳入残余应力计算，提升了对湿热松弛特性的精细化描述能力。本发明通过系统性标定机制替代人工经验参数设定，大幅提高了回弹量预测精度与工业实用价值，减少了试模次数与材料损耗。