随着天然林保护工程的实施,间伐材和人工林木材比例越来越大。杉木林蓄积量在我国森林蓄积总量中排名第三,占全国森林蓄积的4.91%。其中,65%~70%为直径小于16 cm的杉木间伐材。目前小径级原木制材工艺存在出材率低、自动化水平低以及产品附加值低等不足。本研究来源于国家“十二五”科技支撑计划项目“非常用与低等级木材高效加工技术集成与示范(2012BAD24B01)”的课题,是课题重要研究内容之一,通过响应曲面法、数学建模、Solid Works三维设计、计算机断层扫描以及ABAQUS有限元模拟等手段,研究了小径级杉木六棱柱体制材、大断面六棱柱集成材制造、集成材性能与研制设备的性能等方面内容,其研究结果总结如下:(1)试验研究了杉木表面润湿性,发现了杉木径向润湿性好于弦向,边材润湿性优于心材,润湿性还随着杉木表面粗糙度的增加有所提高。分析与比较了国际上现有胶黏剂胶层压缩剪切强度测试标准,提出了一种非标测试方法,有效避免胶层压缩剪切强度测试过程因受力不共线而导致的试验误差。运用响应曲面法对大断面集成材胶合工艺进行了优化,建立了胶层压缩剪切强度与胶合工艺参数(涂胶量,加压时间,压力)之间的数学模型。确定PVAc最优胶合工艺参数为:涂布量341g/m2,加压时间3h,胶合压力1.2MPa。PU最优胶合工艺参数为:涂布量260g/m2,加压时间1h,胶合压力1.2MPa。(2)通过分析小径级杉木常规下锯法,提出一种新型小径级杉木下锯法——六棱柱体下锯法,建立了不同下锯法出材率数学模型,选取小头直径为80、100、120mm的小径级杉木进行理论计算,计算结果表明:常规下锯法理论出材率一般在50%-65%范围内,而小径级杉木六棱柱体下锯法理论出材率高于70%,明显高于小径级杉木常规下锯法出材率。本研究所述的六棱柱体下锯法主要工序为:去弯截断→双侧齐边锯切→四边锯切→梳齿接长→成型加工。(3)本文在课题组设计制造的样机基础上,进行了样机性能测试与样机第三方检测。利用样机进行了小径级杉木六棱柱体制材工艺试验研究,发现样机加工出的六棱柱直线度公差范围为88-119μm,公差等级10级;平行度误差范围为-0.16-0.3 mm,公差等级13级,符合后续大断面集成材胶合工艺要求。经第三方资质单位检测,齐边锯机、四边锯机、梳齿接长机以及成型机参数设计合理,结构可靠,性能达到GB5226.1-2008以及GB/T14384-2010标准的要求。(4)运用ABAQUS有限元分析软件,通过建立六棱柱集成材胶拼力学模型,分析与研究不同胶拼工艺参数下各胶合面的压力分布情况。研究结果表明先水平加压后垂直加压的工艺,所得集成材各胶合面压力值的标准差为0.21,极差为0.71,胶合压力分布均匀,能够满足杉木集成材胶合工艺胶合压力基本要求,胶层剪切强度数值均超过GBT26899-2011结构用集成材标准规定值。(5)采用Luikov传质模型,描述了大断面六棱柱集成材内部传质过程,运用X射线断层扫描技术,发现了随环境空气相对湿度变化时集成材内部水分迁移与含水率分布情况。经过对比分析,发现模型计算结果与试验所测结果吻合度较高,因此,该模型精度与可靠性较高。在水分迁移过程中,由于干燥过程的不均匀性导致湿应力的存在,集成材表层由于传质过程剧烈,含水率变化迅速,表层主要表现为拉应力,内部为压应力,随着干燥过程的继续,水分迁移不断深入,表层拉应力逐步减小,内部由压应力逐步转变为拉应力。干燥过程结束后,观察试件发现部分试件开裂主要集中在六棱柱体棱角处,即有限元模型中应力集中处,二者相吻合。(6)本文对长度为1000mm的试件进行了力学性能测试,结果表明:随着集成材端面尺寸的增加,弹性模量呈下降趋势。通过分析不同长细比的试件力学性能,发现随着长细比的增加,试件的承载能力不断降低,加载过程中转角和柱中挠度不断增加,试件的整体刚度下降,稳定性变差,长度为3000mm试件破坏形式主要是失稳破坏,长度为1000mm试件破坏形式主要是强度破坏。