Количественная характеристика полей локальных деформаций в образце картона топлайнер при одноосном растяжении

УДК

676.017.043

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-1-180-189

Аннотация

Представлена методика количественной оценки распределения локальных растягивающих (продольных), сжимающих (поперечных) и сдвиговых деформаций в образце целлюлозно-бумажного материала и результаты ее использования при приложении к образцу одноосной растягивающей нагрузки. Применение данной методики позволило установить значения, степень неоднородности и закономерности изменения локальных деформаций в образце картона топлайнер, обладающего неоднородной и анизотропной структурой, в зависимости от общей величины деформации образца и направления ориентации волокон в нем. В основе методики лежит испытание образцов с предварительно нанесенной сеткой точек на растяжение с постоянной скоростью, в процессе которого выполняются фотофиксация образцов и регистрация кривой «нагрузка–удлинение». С применением специального программного обеспечения осуществляется определение координат узлов сетки и их смещения при растяжении. Анализ данных и вычисление локальных деформаций производится с применением алгоритмов метода конечных элементов. Экспериментально установлено, что при увеличении угла преимущественной ориентации волокон в образцах картона машинного направления локальные продольные деформации возрастают, поперечные уменьшаются, а сдвиговые имеют максимум 45°. Подтвержден рост средней величины абсолютных значений локальных деформаций всех видов при увеличении общей деформации образца. Установлено, что неоднородность локальных деформаций, оцениваемая по среднеквадратическому отклонению, возрастает с увеличением их абсолютной величины, а тенденции изменения зависят от направления ориентации волокон в структуре образца.

Сведения об авторах

А.Н. Романова¹, аспирант
Я.В. Казаков¹, д-р техн. наук, проф.; Researcher ID: J-4634-2012,
ORCID: 0000-0001-8505-5841
А.В. Малков^1,2, канд. хим. наук, доц.
¹Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; е-mail: a.romanova@narfu.ru, j.kazakov@narfu.ru, a.malkov@narfu.ru
²Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. академика Н.П. Лавёрова РАН, наб. Северной Двины, д. 23, г. Архангельск, Россия, 163000; е-mail: a.malkov@narfu.ru

Ключевые слова

картон топлайнер, структурная неоднородность, анизотропия, деформация, метод конечных элементов

Для цитирования

Романова А.Н., Казаков Я.В., Малков А.В. Количественная характеристика полей локальных деформаций в образце картона топлайнер при одноосном растяжении // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 1. С. 180–189. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-1-180-189

Литература

1. Белоглазов В.И., Гурьев А.В., Комаров В.И. Анизотропия деформативности и прочности тарного картона и методы ее оценки / под ред. проф. В.И. Комарова. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2005. 252 с. [Beloglazov V.I., Gur’yev A.V., Komarov V.I. Anisotropy of Deformability and Strength of Containerboard and the Methods of its Evaluation. Ed. by V.I Komarov. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2005. 252 p.].
2. Казаков Я.В. Количественная оценка неоднородности деформирования бумаги при одноосном растяжении с постоянной скоростью // Изв. вузов. Лесн. журн. 2013. № 2. С. 180–185. [Kazakov Y.V. Quantitative Estimation of Deformation Heterogeneity in a Paper at Uniaxial Stretching at Constant Rate of Speed. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2013, no. 2, pp. 180–185]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/5a4/hpd3.pdf
3. Казаков Я.В., Зеленова С.В., Комаров В.И. Влияние неоднородности структуры на характеристики жесткости картонов-лайнеров // Изв. вузов. Лесн. журн. 2007. № 3. С. 110–121. [Kazakov Ya.V., Zelenova S.V., Komarov V.I. Influence of Structural Nonuniformity on Stiffness Characteristics of Linerboard. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2007, no. 3, pp. 110–121]. URL: http://lesnoizhurnal.ru/upload/iblock/f07/f07f469ab9b4d4a475d209e0bf17306f.pdf
4. Комаров В.И. Деформация и разрушение волокнистых целлюлознобумажных материалов. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2002. 440 с. [Komarov V.I. Deformation and Destruction of Pulp and Paper Materials. Arkhangelsk, ASTU Publ., 2002. 440 p.].
5. Романова А.Н., Казаков Я.В., Малков А.В. Влияние направления ориентации волокна в образце картона на соотношение растягивающих, сжимающих и сдвиговых деформаций при испытании на растяжение // Проблемы механики целлюлознобумажных материалов: материалы IV междунар. науч.-техн. конф. (Архангельск, 14–16 сент. 2017 г.). Архангельск: САФУ, 2017. С. 108–113. [Romanova A.N., Kazakov Y.V., Malkov A.V. The Influence of the Fiber Orientation Direction in a Cardboard Sample on the Ratio of Tensile, Compressive and Shear Deformations in the Tensile Test. Proceedings of the 4th International Scientific Conference “The Issues in Mechanics of Pulp-and-Paper Materials”, (Arkhangelsk, September 14–16, 2017). Arkhangelsk, NArFU Publ., 2017, pp. 108–113].
6. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2001610526, Российская Федерация. Программное обеспечение лабораторного испытательного комплекса для оценки деформативности и прочности целлюлознобумажных материалов (KOMPLEX): № 2001610250; заявл. 11.03.2001; опубл. 10.05.2001 / Казаков Я.В., Комаров В.И. 1 с. [Kazakov Ya.V., Komarov V.I. The Software of the Laboratory Test Complex for the Deformability and Strength Assessment of Pulp and Paper Materials (KOMPLEX). Certificate of the Computer Software Official Registration No. 2001610526. 2001. 1 p.].
7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014617014, Российская Федерация. Программа для анализа полей локальных деформаций и напряжений в образцах бумаги при растяжении (Неоднородность деформирования): № 2014614773; заявл. 22.05.2014; опубл. 09.07.2014 / Казаков Я.В., Казакова О.Я., Рудалев А.В. 1 с. [Kazakov Ya.V., Kazakova O.Ya., Rudalev A.V. The Software for the Analysis of Local Fields of Deformation and Stresses in Paper Samples under Tension (Deformation Inhomogeneity). Certificate of the Computer Program Official Registration No. 2014617014. 2014. 1 p.].
8. Borodulina S., Kulachenko A., Nygårds M., Galland S. Stress-Strain Curve of Paper Revisited. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 2012, vol. 27, iss. 2, pp. 318–328. DOI: 10.3183/npprj-2012-27-02-p318-328
9. Borodulina S., Motamedian H.R., Kulachenko A. Effect of Fiber and Bond Strength Variations on the Tensile Stiffness and Strength of Fiber Networks. International Journal of Solids and Structures, 2016, vol. 154, pp. 19–32. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2016.12.013
10. Considine J.M., Scott C.T., Gleisner R., Zhu J.Y. Use of Digital Image Correlation to Study the Local Deformation Field of Paper and Paperboard. Proceedings of the Advances in Paper Science and Technology: 13th Fundamental Research Symposium, Cambridge, September 11–16, 2005. Cambridge, UK, The Pulp and Paper Fundamental Research Society, 2005, pp. 613–630.
11. Ebner T., Hirn U., Fischer W.J., Schmied F.J., Schennach R., Ulz M.H. A Proposed Failure Mechanism for Pulp Fiber-Fiber Joints. BioResources, 2016, vol. 11, no. 4, pp. 9596–9610. DOI: 10.15376/biores.11.4.9596-9610
12. Eymin G., Tourtollet P., Rech D. 2D F-Sensor: A New Tool for the Online Sheet Formation Characterization. The 34th Pulp and Paper Annual Congress: ABTCP 2001, Sao Paulo, Brazil, October 22–25, 2001. Sao Paulo, 2001, p. 7.
13. Hirn U., Lechthaler M., Bauer W. Registration and Point Wise Correlation of Local Paper Properties. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 2008, vol. 23, iss. 4, pp. 374–381. DOI: 10.3183/NPPRJ-2008-23-04-p374-381
14. Kazakov Y., Romanova A., Galimzyanova A. Effect of Fiber Orientation in a Paper Sheet on Ratio of Local Tensile, Compressive and Shear Deformations at the Tensile Test. Euromech Colloquium 592: Deformation and Damage Mechanisms of Woodfibre Network Materials and Structures, Stockholm, Sweden, June 7–9, 2017. Stockholm, KTH Royal Institute of Technology, 2017, pp. 72–73.
15. Korteoja M.J., Lukkarinen A., Kaski K., Gunderson D.E., Dahlke J.L., Niskanen K.J. Local Strain Fields in Paper. Tappi Journal, 1996, vol. 79, no. 4, pp. 217–224.
16. Korteoja M.J, Niskanen K.J., Kortschot M.T., Kaski K.K. Progressive Damage in Paper. Paperi ja puu, 1998, vol. 5, pp. 364–372.
17. Lahti J., Dauer M., Hirn U. Linking Paper Structure to Tensile Deformation and Fracture Initiation. Progress in Paper Physics Seminar 2016 Conference Proceedings, Darmstadt, August 22–26, 2016. Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, 2016, pp. 71–75.
18. Lindblad G., Fürst T. The Ultrasonic Measuring Technology on Paper and Board. Kista, Sweden, Lorentzen and Wettre, 2001. 98 p.
19. Niskanen K.J., Alava M.J., Seppala E.T., Astrom J. Fracture Energy in Fibre and Bond Failure. Journal of Pulp and Paper Science, 1999, vol. 25, no. 5, pp. 167–169.
20. Ostoja-Starzewski M., Castro J. Random Formation, Inelastic Response and Scale Effects in Paper. Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2003, vol. 361, no. 1806, pp. 965–985.
21. Szewczyk W., Marynowski K., Tarnawski W. An Analysis of Young’s Modulus Distribution in the Paper Plane. FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe, 2006, vol. 14, iss. 4(58), pp. 91–94.
22. Uesaka T. Determination of Fiber-Fiber Bond Properties. Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard. Vol. 2. Ed by R.E. Mark. New York, Marcel Dekker Inc., 1984, pp. 379–402.
23. Wallmeier M., Linvill E., Hauptmann M. The Effect of Inhomogeneous Material Properties in Explicit Dynamic Simulation of Paperboard Forming. Progress in Paper Physics Seminar 2016 Conference Proceedings, Darmstadt, August 22–26, 2016. Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, 2016, pp. 193–199.

Ссылка на английскую версию:

Quantitative Characteristics of Local Strain Fields in a Top-Liner Board Sample under Uniaxial Tension

QUANTITATIVE CHARACTERISTICS OF LOCAL STRAIN FIELDS IN A TOP-LINER BOARD SAMPLE UNDER UNIAXIAL TENSION

A.N. Romanova¹, Postgraduate Student
Ya.V. Kazakov¹, Doctor of Engineering, Prof.; Researcher ID: J-4634-2012,
ORCID: 0000-0001-8505-5841
A.V. Malkov^1,2, Candidate of Chemistry, Prof.
¹Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: a.romanova@narfu.ru, j.kazakov@narfu.ru, a.malkov@narfu.ru
²N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research, RAS, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 23, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: a.malkov@narfu.ru

The paper presents the method for quantifying the distribution of local tensile (longitudinal), compressive (transverse) and shear strains in a sample of pulp and paper material. The results of its use for the sample of top-liner board when uniaxial tensile testing are provided. Applying this method, we have determined the values, the degree of heterogeneity and change patterns of local strains in inhomogeneous and anisotropic structure of the sample, depending on the total strain and the direction of fiber orientation. The method is based on constant-speed tensile testing of samples with a pre-applied dot matrix to their surface. The test is accompanied with photo fixing and recording a load-elongation curve. The coordinates and displacements of dots are determined by means of the specially designed software. The analysis of data and calculation of local deformations are performed by finite elements method (FEM) algorithms. The outcomes have shown that the local longitudinal deformations increased, transverse – decreased, and shear – had their maximum at 45° to machine direction (MD) when increasing the angle of preferential fiber orientation to MD in the board samples. The rise of the average absolute values of all components of local strains when increasing total deformation in the sample was confirmed. As it has been found, the heterogeneity of local strains, estimated through the standard deviation, rose when increasing their absolute value; the trends of changing depend on the fiber orientation direction in the sample structure.
For citation: Romanova A.N., Kazakov Ya.V., Malkov A.V. Quantitative Characteristics of Local Strain Fields in a Top-Liner Board Sample under Uniaxial Tension. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 1, pp. 180–189. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-1-180-189

Keywords: top-liner board, structural inhomogeneity, anisotropy, deformations, FEM.

Поступила 21.02.19 / Received on February 21, 2019