基于復(fù)合材料理論的木材微觀力學(xué)建模研究.pdf

1、木材是一種天然的具有纖維增強(qiáng)特性的復(fù)合材料，并具有正交各向異性，是人們生活中主要用材，有很多其它材料無法比擬的優(yōu)勢(shì)，與水泥、鋼材并稱為三大建設(shè)用材，但人們并未完全掌握木材的復(fù)合材料特性，影響木材功效的發(fā)揮，木材宏觀的力學(xué)行為與木材細(xì)胞的形態(tài)、細(xì)胞的力學(xué)性質(zhì)、細(xì)胞之間的連接方式以及細(xì)胞構(gòu)成組織的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此研究木材受力后其內(nèi)部微細(xì)結(jié)構(gòu)的變化與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系，將提高對(duì)木材破壞機(jī)理認(rèn)識(shí)的水平，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文

2、首先進(jìn)行了木材微觀結(jié)構(gòu)特征研究，微觀結(jié)構(gòu)決定木材的宏觀力學(xué)性能，木材是由許多空腔細(xì)胞所構(gòu)成的，木材實(shí)體主要構(gòu)成是細(xì)胞壁，所以是木材微觀力學(xué)主要研究對(duì)象，通過分析其彈性常數(shù)與木材微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系反應(yīng)出細(xì)胞壁中的S2層與細(xì)胞壁的縱向彈性模量密切相關(guān)，在進(jìn)行木材宏、微觀實(shí)驗(yàn)時(shí)，主要以針葉材落葉松為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過薄小試件分析其早晚材細(xì)胞的分布特征，測(cè)量了早材、過渡材與晚材的縱向彈性模量，及早晚材細(xì)胞壁的厚度，得出細(xì)胞剛度沿生長(zhǎng)輪分布呈非線性關(guān)系，

3、同時(shí)對(duì)木材的密度、干縮與濕脹特性及單層與多層抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，建立試件密度與強(qiáng)度的關(guān)系、試件剛度與結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系，獲得有限元建模時(shí)所需的相關(guān)數(shù)據(jù)。同時(shí)考慮了木材曲率對(duì)木材的影響，并對(duì)木材粘彈性進(jìn)行了分析，應(yīng)用了單胞建模理論，進(jìn)行初步力學(xué)性能研究，并通過宏觀驗(yàn)證。
　　從復(fù)合材料角度出發(fā)進(jìn)行木材微觀力學(xué)建模時(shí)，以木材單胞建模理論為基礎(chǔ)，單胞有限元模型為基本單元，構(gòu)建了木纖維增強(qiáng)單元模型，獲得RVE本構(gòu)關(guān)系與邊界條件，研究了纖維增強(qiáng)體

4、的相互作用關(guān)系，建立了木纖維實(shí)體仿真模型，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入，根據(jù)初始模型剛度參數(shù)，計(jì)算出各點(diǎn)應(yīng)力狀念求得木纖維的剛度，對(duì)模型中現(xiàn)有木纖維的剛度進(jìn)行修正，獲得木纖維模型應(yīng)力云圖，因?yàn)镽VE的周期性，由此可獲得木材的宏觀應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系?？紤]木材是一種缺陷材料，將帶缺陷的木材體分成不同的區(qū)，從微觀層面考慮缺陷區(qū)，將不同的缺陷模型插入每一個(gè)區(qū)中進(jìn)行模擬，借助有限元方法，建立了含有缺陷的木纖維單元模型，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行載荷賦值，將木纖維單元模型的非線