银锭榫力学性能研究

绪论

1.1

课题来源及依据

实木家具自然质朴、色泽温润、触感舒适，一直是消费者追求的重点。然而长期的乱砍乱伐造成的生态环境恶劣以及各国出台的限制木材砍伐的政策，使得可用于加工实木家具的天然林越来越少。在保护提高家具木材利用率的同时，只有通过使用速生材或用软木代替硬木才能缓解家具市场木材资源供求不平衡的问题。

实木拼板在家具用材中的使用随着保护森林资源意识的重视和生产方式的变化越来越广泛，使用实木拼板可以避免木材各向异性的缺陷，有节约森林资源，提高木材利用率等益处。

银锭榫是燕尾榫木构件的一种形式，主要作用是拼合板材和修复木构件，也在建筑和桥梁领域广泛应用，用于板材拼合时，基材不同的纹理方向以及榫卯间不同的配合关系都会影响拼板的力学性能与质量。寻找到最优的搭配有助于提升拼板的质量和生产效率，提高家具的承重力与耐久性，同时提升相关企业的生产效益。

1.2

国内外研究现状

1.2.1

基材树种及力学性能研究

本实验基材选择杨木，所以首先需要调查杨木本身的相关力学性能，对于此方面的研究主要有以下几个方面。

《13种杨树木材物理力学性质的研究》[1],研究者通过选择山东省栽植面积大、速生性较好的I-

69杨等10种黑杨的9年生试材、易县毛白杨等3种白杨的13年生试材总共13个杨树品种为试验主体,在西仓村试验林各自砍伐五株符合要求的木材,研究全树木材心材率、生材含水率,分心边材、各个树高位置测试木材密度、气干密度,从生材干燥到含水率是12%时的干缩率、顺纹抗压强度、冲击韧性、硬度等相关指标结果。通过分析心边材、各个树高位置、株间变动情况等数据来对比各类木材性质的不同点。试验结果表明，13种杨树全树木材心材率在14.6%

～

34.1%

之间，生材含水率在86.2%

～

148.5%

之间，由生材干燥至含水率为12%

所产生的干缩率在8.66%

～

11.96%

之间，气干密度属低类或很低类，强度属弱类，硬度属软类或甚软类，冲击韧性中等；黑杨心材颜色深、心边材性质差异大，白杨心材颜色淡，心边材性质差异小；品种间木材物理力学性质差异较大，按其主要特点可将13个品种的木材分为4类。

《关于杨树木材的物理力学性质分析》[2]，研究者为了让不同种植环境中种植的杨树木材都能寻找到最合适的使用场合，需要对具体木材材性开展整体分析。利用对多种密度林分中种植的无性系杨树进行干缩、压缩与抗弯等众多物理力学属性的分析，主要目标是寻找种植密度和杨树木材材性间的关系，为造林设计与科学使用杨树寻找良好的理论基础。最终结论指出I-

63杨与I-

69杨与强度类似,I-

214杨强度不高。I-

69杨具备良好的弯曲韧性，因此可以当做曲木家具的原料。无性系和株行距与各力学强度的差异也表现出不同点，不同项力学指标中，三种杨树在株行距为4×4

m时最高，所以在确定造林密度与挑选无性系时需要依照不同现实培育需求进行科学设定，在开展成分研究之后可知，木材物理力学属性的第一主成分是强度，第二则是干缩；根据多元回归结论我们就可以知道，影响木材顺纹抗拉强度的现实条件是实际密度和纤维长度。依照半径方向，六七年是杨树从成长发展以及成熟的重要时期，抗拉强度、纤丝角、密度、纤维长度等指标都能当做判定木材成熟期的标准。

1.2.2

配合方式及精度对力学性能的影响

《梓木T型直角榫接合强度研究》[3]，通过对梓木T型直角榫的接合强度开展分析，重点被划分成五方面：榫头宽度、厚度和榫眼的配合参量对抗拔强度力学性能的作用；榫头长度对抗拔强度的作用；榫肩尺寸对结点特性作用；榫头宽度对榫接合结点特性作用的分析。最终结论指出在榫头宽度和榫眼长度的配合量为时，抗拔极限力进入巅峰，平均值是5815.1

N。试件极限抗拔力和榫头宽度配合参量两者具体关系就是y

=

-2395.9

x

+

2137.6

x

+

5109.2。在榫头厚度和榫眼宽度的配合参量为时，抗拔极限力达到巅峰，平均值是3473.2

N。试件极限抗拔力和榫头宽度配合参量两者关系就是y

=

-7597.6

x

+

2310.3

x

+

2781.9。梓木直角榫的抗拔强度伴随榫头长度变长而变大，伴随榫肩距增加，其抗弯水平不断提升，两者之间表现出稳定的线性关系。在榫肩影响下，直角榫的破坏弯矩伴随榫头宽度增加而提高，两者之间也表现出二次多项式关系。

《松木椭圆榫接合力学性能研究》[4]，通过设计实验对松木椭圆型榫的接合功能开展分析。主要包含榫头厚度和榫眼宽度的配合对抗拔强度的作用，根据木材横向压缩极限量的榫头宽度和榫眼长度之间的配合量分析榫头长度对抗拔强度的作用，研究榫头宽度和榫眼长度的配合对抗拔强度的作用。T

型与

L

型连接时,在榫头厚度和榫眼宽度的配合量在时，抗拔极限力为巅峰，平均值是33823.54

N，当前试件开始装配时没有开裂问题,因此可以判定上述配合量下可以得到最高强度。在配合量不低于时，装配之后样眼出现膨胀问题或无法装置,所以真实加工榫厚最好低于0.4

mm。不管是什么样式的纹理，极限压缩量全部伴随试件宽度变化而变化，此外径向纹理的极限压缩量也会跟随宽度变化而出现改变，的近似直线斜率更小。假如榫头长度变长，此抗拔强度也会按照相应斜率变大，一直到榫头长度达到之后，保持相应的稳定。分体榫榫头宽度和榫眼长度的配合量c在0.5

mm左右的时候，分体岁接合抗拔极限力最高，平均值大概是5700

N，当前测件在安装时没有开裂问题，因此可以指出上述配合量下榫结合达到最高强度。在c不低于0.8

mm的时候，极限抗拔力持续变低，出现少数试件安装出现开裂问题。在c是1.2

mm，试件在安装的时候都出现开裂问题。因此

c

需要低于相同宽度的整体榫的榫头宽度和榫眼长度配合量。

1.2.3

银锭榫力学性能研究

因为只有建筑或桥梁领域有较多的对燕尾榫节点的性能研究，故参考了《拔榫状态下古建筑燕尾榫节点性能试验研究》[5]，该研究按照《清式营造则例》大式建筑的尺寸，建立了缩尺比为1:2的四个不同拔榫程度的单间一榀燕尾榫构架模型，通过对其竖向加载试验，得出了节点主要破坏形式、跨中

F－f

曲线，结合理论并分析试验数据，首次提出了静力作用下跨中荷载与挠度的变刚度线弹性力学模型。最终得出的结果为：荷载影响下，燕尾榫节点底面出现横纹受压，出现一定应力、应变，最后随榫头底部压缩在节点处依照额枋长度方向受到破坏。假如此节点初始拔榫量高，极限荷载时榫头底部压缩变形、榫额底部宽度也会变大，此时拔榫量变低。此时值得关注的是，在弹性时期完结的时候竖向荷载值变低；在屈服时期，结构呈现出显著的拔榫特点，在同等竖向荷载下，初始拔榫量高，形成的跨中挠度高。木结构燕尾榫节点在竖向静力影响下跨中荷载

F

和挠度

f就能利用变刚度线弹性力学模型－双折线模型来表达。

1.3课题研究内容及创新

1.3.1课题研究内容

国内外对于银锭榫的相关研究较少，国内仅有对银锭榫的历史相关的介绍，如尹一梅的《谈<淳化阁帖>“银锭纹”问题》一文中对银锭榫的用材、使用方式、常用部位等进行了详细地介绍。而国内对于燕尾榫节点力学性能的研究大多在建筑桥梁领域，家具上并没有非常详尽的实验研究。本课题基于此在以下几个内容方面设计实验进行研究：

1）探索不同因素对银锭榫拼合板材力学性能的影响差异；

2）找出影响最大的影响因素范围；

3）总结出银锭榫拼合板材的各因素最佳搭配和具体参数。

1.3.2课题创新

目前国内外对于银锭榫或燕尾榫结构的研究比较少，并且大多数是在建筑或桥梁领域，榫结构的材料也多为金属或石质，基材为木质的也非常少，本实验将银锭榫结构用于木板拼合，探索不同因素单独或共同对榫节点力学性能，主要是抗拔力的影响，将传统常规木质榫卯结构试验思路创新运用到银锭榫结合上，以求在木板拼合领域探索出更加高效优秀的拼合方式，是研究思路上的创新。

1.4研究方法

（1）

文献研究法

此方式表示筹集、分辨、汇总资料，且利用对资料的分析最终得出合理认知结果的方式。也是历史悠久且具备发展前景的重要科学分析方式。

（2）单因素试验

实验中只存在一个变化的因素，另外因素维持稳定，利用只查看变化因素来确定整体实验中该因素的具体作用及影响。为正交试验做准备，以提供一个合理的数据范围。

实验因素：①基材纹理：顺纹、横纹、纵向；

②配合关系：过盈、过渡、间隙：设榫长度与榫眼的配合量为a（a为正、零、负分别表示过盈、过渡、间隙配合），a的取值为-0.2、-0.1、0、0.1、0.2、0.3、0.4mm；

③银锭榫与木材的接触面积：榫长度和宽度不变，厚度变化。

（3）正交试验

依照正交性从单因素全面实验中选择出少数具备典型性的点开展测试，上述具备典型性的点表现出分布匀称，规整对比的特征，也是科学、高速、便捷的重要实验方式。

本实验就是挑选单因素测试中三个因素的三水平，开展完整的科学测试，按数据进行数理统计分析，得出结论。

1.5技术路线

确定课题

↓

国内外研究现状--------------------------研究目的与意义

↓

单因素实验设计

↓

实验材料制备

↓

实验操作

↓

分析实验结果，得出最佳参数

↓

银锭榫最佳参数确定

↓

正交试验设计

↓

实验材料制备

↓

实验操作

↓

分析实验数据

得出最后结论

银锭榫节点抗拔强度单因素分析

2.1

实验材料与试件制备

2.1.1

实验材料

（1）接合构件材料：杨木方材，气干密度0.402g/cm3,含水率9.15%左右；

（2）榫头材料：购制塑料银锭榫，尺寸为9×13×25mm；

2.1.2

试件制备

用平刨床、压刨床、精密圆锯机制作试件规格材，用手工加工燕尾形榫眼，截取规则遵照

GB/T1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》。

将杨木板材，通过平刨床加工出基准面，压刨床加工出相对面，形成断面尺寸分别为30mm×15mm、30mm×20mm、30mm×25mm的杨木方材。再用精密圆锯机，将杨木方材截成长度为60mm的试件坯料。

在杨木试件坯料截断成两个长度为30mm的试件，再手工加工出如图2.1所示的燕尾形榫眼。

银锭形榫眼的大小见2.2实验设计。

图2.1

加工有银锭形榫眼的杨木试件

图2.2

力学性能待测试件

2.2

实验设计

如图2.3所示，手工加工出尺寸为9×∆A×∆B

mm的榫眼，其中，∆A为榫眼深度，取不同配合量-0.2、-0.1、0、0.1、0.2mm；∆B为榫眼厚度，根据不同试件厚度分别取15、20、25mm。

图2.3

银锭榫榫眼的尺寸

表2.1、2.2、2.3分别为理想状况下单因素试验设计表头，测定每个因素时其他两个因素均保持不变。

表2.1

基材纹理方向对节点性能的影响

单位：mm

基材纹理方向

顺纹

横纹

纵向

试件1

试件2

试件3

试件4

试件5

平均值

最大值

最小值

正偏差

负偏差

表2.2

配合量对节点性能的影响

单位：mm

配合量

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

试件1

试件2

试件3

试件4

试件5

平均值

最大值

最小值

正偏差

负偏差

表2.3

试件厚度（接触面积）对节点性能的影响

单位：mm

试件厚度

试件1

试件2

试件3

试件4

试件5

平均值

最大值

最小值

正偏差

负偏差

但实际操作中发现，由于银锭榫眼需要手工找师傅开，笔者自己能力有限，学校实验室也没有匹配的刀具，单个试件制备的成本就很高，若要完成单因素全面实验，需要准备大量的试件，经济条件不允许。和导师讨论之后决定，单因素试验只作为预想试验，并不实际操作，根据经验和实际条件，将每个因素确定出三个合理的因素数据，作为后面正交试验的因素条件。

2.3实验结果分析

因条件限制，单因素试验并没有真正使用试件进行实验操作，而是根据实际条件和试件情况预估出每个因素的三个水平。

（1）基材纹理方向：顺纹、横纹、纵向，即试件选择径切面、弦切面和横切面；

（2）配合关系/mm：

因榫槽需要手工开，具有一定误差，银锭榫本身结构特点决定了配合关系差值过大没有意义，故最后确定三个水平为-0.1、0、0.1；

（3）银锭榫与木材的接触面积：因银锭榫尺寸不可改变，改变试件厚度，从而改变接触面积，根据实验条件选定三个厚度分别为15、20、25，单位为mm。

2.4

本章小结

本章对杨木接合点银锭榫的结合点抗拔力的研究，通过改变接合处的配合参数，主要研究结果如下：

杨木榫眼试件，塑料银锭榫试件，通过配合的试验得出，正交试验的因素水平对照表，如下表2.4。

表2.4

因素水平对照表

单位：mm

水平

A（试件纹理方向）

B（试件厚度）

C（配合量）

径切面

-0.1

弦切面

0

横切面

0.1

银锭榫节点抗拔强度正交试验分析

3.1

实验材料与试件制备

3.1.1实验材料

（1）接合构件材料：杨木方材，气干密度0.402g/cm3,含水率9.15%左右；

（2）榫头材料：购制塑料银锭榫，尺寸为9×13×25mm；

3.1.2试件制备

用平刨床、压刨床、精密圆锯机制作试件规格材，用手工加工燕尾形榫眼，截取规则遵照

GB/T1929-2009《木材物理力学试材锯解及试样截取方法》。

将杨木板材，通过平刨床加工出基准面，压刨床加工出相对面，形成断面尺寸分别为30mm×15mm、30mm×20mm、30mm×25mm的杨木方材。再用精密圆锯机，将杨木方材截成长度为60mm的试件坯料。

在杨木试件坯料截断成两个长度为30mm的试件，再手工加工出如图2.1所示的燕尾形榫眼。

银锭形榫眼的大小见3.2实验设计。

图3.1

加工有银锭形榫眼的杨木试件

图3.2

力学性能待测试件

3.2

实验设计

如图3.3所示，手工加工出尺寸为9×∆A×∆B

mm的榫眼，其中，∆A为榫眼深度，取不同配合量-0.1、0、0.1mm；∆B为榫眼厚度，根据不同试件厚度分别取15、20、25mm。

图3.3

分体式榫眼的尺寸

将榫眼试件和榫头试件组装，然后在万能力学实验机上进行抗拔实验。

如图3.4所示，用万能力学试验机测量榫接合的抗拔强度，加载速度为：10mm/min。

图3.4

万能力学实验机装夹图

3.3

实验结果分析

表3.1

L9（34）拟水平正交实验结果

编号

Ⅰ杨木纹理方向

Ⅱ试件厚度（mm）

Ⅲ配合量（mm）

实验结果（抗拔力，单位：N）

956.43

936.56

898.59

749.84

932.34

1403.59

552.19

967.66

951.09

KⅠj

2791.58

2258.46

3327.68

KⅡj

3085.77

2836.56

2637.49

KⅢj

2470.94

3253.27

2383.12

¯KⅠj

930.53

752.82

1109.23

¯KⅡj

1028.59

945.52

879.16

¯KⅢj

823.65

1084.42

794.37

Rj

204.94

331.60

314.85

表3.2

方差分析表

因变量:抗拔力/N

源

III

型平方和

df

均方

F

Sig.校正模型

388680.695a

64780.116

9.029

.103

截距

7743795.887

7743795.887

1079.353

.001

A

63043.595

31521.797

4.394

.185

B

166390.115

83195.057

11.596

.079

C

159246.986

79623.493

11.098

.083

误差

14348.958

7174.479

总计

8146825.540

校正的总计

403029.653

a.R

方

=

.964（调整

R

方

=

.858）

对正交试验结果进行直观分析，分别对每次实验各因素的三个水平实验结果分别求和，再分别求出各因素各水平实验结果的平均值，再分别求出各因素的平均值的差值，根据极差数Rj的大小可以判断出，对银锭榫节点力学性能，即本实验研究的抗拔力影响最大的因素是试件的厚度，也就是银锭榫和基材的接触面积，影响最小的是试件的纹理方向。即银锭榫和基材的接触面积是影响银锭榫节点力学性能（抗拔力）的主要因素。

对单个因素进行分析：

（1）

弦切面抗拔力最强，径切面次之，横切面最弱，所以最佳纹理方向是弦切面。

（2）

本实验范围内，试件越厚，接触面积越大，抗拔强度越强，力学性能越好。

（3）

本实验范围内，配合越紧密，抗拔强度越强，力学性能越好。

图3.5

试件纹理方向对抗拔力的影响

图3.6

试件厚度（接触面积）对抗拔力的影响

图3.7

配合量对抗拔力的影响

3.4本章小结

本章对杨木接合点银锭榫的结合点抗拔强度的研究，通过设计三因素三水平的正交试验进行对比，主要研究结果如下：

（1）本实验研究的抗拔力影响最大的因素是试件的厚度，也就是银锭榫和基材的接触面积，影响最小的是试件的纹理方向。即银锭榫和基材的接触面积是影响银锭榫节点力学性能（抗拔力）的主要因素。

（2）对单个因素进行分析可得，弦切面抗拔力最强，径切面次之，横切面最弱，所以最佳纹理方向是弦切面。本实验范围内，试件越厚，接触面积越大，抗拔强度越强，力学性能越好。本实验范围内，配合越紧密，抗拔强度越强，力学性能越好。

（3）通过对平均值的比较，为达到最优的力学性能，及最大抗拔力，得出本实验中最优组合搭配为基材纹理方向为弦切面，试件厚度为25

mm，配合关系为过盈配合0.1

mm，即在一定范围内，弦切面情况下，接触面积越大，配合越紧密，银锭榫节点的力学性能越好。

研究结论与展望

4.1研究结论

本论文以杨木为基材，银锭榫为载体，探讨杨木纹理方向、银锭榫与试件接触面积、以及银锭榫与试件过盈量对杨木实木构件接合抗拔强度的影响，并通过正交试验研究杨木纹理方向、银锭榫与试件接触面积、以及银锭榫与试件过盈量对杨木实木构件接合抗拔强度的影响，优化银锭榫的结构设计。结果表明：

（1）随着银锭榫与试件的接触面积增加，试件抗拔强度增强。当显著性

α=0.05

时，试件厚度为

15mm、20mm、25mm，三者相互之间影响显著。试件厚度为25mm时，试件抗拔强度最大

（2）银锭榫与试件的配合量对试件抗拔强度影响显著。当显著性

α=0.05

时，配合量为-0.1、0、0.1

三者抗拔强度均数差异显著。过盈配合量为

0.1mm

时，可获得较好的接合效果。

（3）正交试验表明，杨木试件的木材纹理方向对试件抗拔强度影响显著，当基材纹理方向为弦切面、试件厚度为25mm、配合参数为

-0.1mm

时，试件可获得最佳抗拔强度。

4.2

研究展望

银锭榫在实木拼板中的运用并不是非常广泛，大多数榫卯结合的实木拼板也都是在板件的基础上进行的，银锭榫作为一种可以单独生产的结构件，如果能够大规模使用在家具拼板中，无疑是对实木家具生产有极大的帮助。

本实验因为受到条件的限制，只进行了三个因素方面的实验，银锭榫因为本身结构的特殊性，受到很多条件的影响，所以对于银锭榫节点力学性能仍有很多方面可以进行研究和探索。本论文采取的是单因素的研究方法，在排除了其他影响因素的情况下，只研究拼板处采用银锭榫头后对强度的影响，而对于接合点是否涂胶、对密度、含水率等性能的影响，还需要进行更深一步的实验探索。

本实验研究的是实木拼板中银锭榫的使用，在实际生产中，银锭榫也可以用于结构件的连接，如T型结构件和L型结构件的连接等，对于这些方面的应用也需要大量的实验，找到最优的因素范围，从而大规模推广到实际生产中，以解决木材资源短缺的问题。

本文进行的实验结果表明银锭榫用于实木板件拼合是可行的，而将银锭榫结构大规模用于现代化信息化实木家具生产仍有很多的问题值得分析，希望在未来的学习中可以深入对相关问题开展分析，从而真正实现传统榫卯结构与现代化生产的完美结合。

结论

最终，本文在本实验条件下得出，对银锭榫节点力学性能，主要是抗拔力影响最大的因素是试件的厚度，及代表着银锭榫和基材的接触面积，影响最小的是试件的纹理方向。即银锭榫和基材的接触面积是影响银锭榫节点力学性能（抗拔力）的主要因素。

通过对平均值的比较，为达到最优的力学性能，及最大抗拔力，得出本实验中最优组合搭配为基材纹理方向为弦切面，试件厚度为25

mm，配合关系为过盈配合0.1

mm，即在一定范围内，弦切面情况下，接触面积越大，配合越紧密，银锭榫节点的力学性能越好。