【博士】有限元理論的木材機(jī)械性能建模與仿真研究

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　　【博士】有限元理論的木材機(jī)械性能建模與仿真研究　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：東北林業(yè)大學(xué)　　學(xué)位年度：2007　　 木材是人民生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要工程材料，隨著現(xiàn)代化工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，木材作為一種具有優(yōu)勢(shì)性的建筑材料得到了廣泛應(yīng)用。盡管木材已經(jīng)使用了上千年，但是對(duì)其機(jī)械性能還不是完全了解，如樹種間機(jī)械性能差異，裂紋擴(kuò)展，因含水率變化而引起的變形，在施加較大負(fù)載時(shí)木材表現(xiàn)出復(fù)雜的非線性力學(xué)特性等等。木材結(jié)構(gòu)決定來(lái)材的性質(zhì)，木材的性質(zhì)又決定木材經(jīng)濟(jì)價(jià)值，并直接影響木材的加工和利用，因此，更好剖析木材的機(jī)械性能尤為重要?！　? 本文在國(guó)內(nèi)外有關(guān)木材機(jī)械性能研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)系統(tǒng)分析了木材微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造不同構(gòu)造級(jí)上的機(jī)械性能。通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)觀察得出木材早材、過(guò)渡材、晚材寬度按生長(zhǎng)輪序號(hào)的分布關(guān)系；通過(guò)對(duì)木材逐個(gè)生長(zhǎng)輪密度的測(cè)量，得出了密度隨生長(zhǎng)輪序號(hào)的分布關(guān)系；通過(guò)對(duì)木材逐個(gè)生長(zhǎng)輪制取的薄小試件，測(cè)量了木材早、晚材的剛度隨生長(zhǎng)輪序號(hào)的分布關(guān)系；木材的機(jī)械性能與含水率緊密相關(guān)，試驗(yàn)測(cè)量了木材三個(gè)主方向的收縮系數(shù)與生長(zhǎng)輪序號(hào)的分布關(guān)系。在木材機(jī)械性能建模的研究中，將有限元方法和均質(zhì)化理論應(yīng)用于生長(zhǎng)輪模型的構(gòu)建中，用等價(jià)的均勻連續(xù)體替代復(fù)雜的周期性微觀結(jié)構(gòu)材料的平均特性，建立宏觀量場(chǎng)和微觀量場(chǎng)之間的關(guān)系方程，最后根據(jù)均質(zhì)化方法建立代表性單元的本構(gòu)關(guān)系。模型仿真采用ANSYS實(shí)體模型單元SOLID46計(jì)算材料的有效性能。木材結(jié)構(gòu)建模研究中應(yīng)用了復(fù)合材料理論，研究了平面應(yīng)力下單層材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，建立單層材料與總坐標(biāo)問(wèn)的剛度轉(zhuǎn)換關(guān)系；木材宏觀結(jié)構(gòu)可以視為由各生長(zhǎng)輪層合而成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層合板的強(qiáng)度理論對(duì)木材進(jìn)行了強(qiáng)度分析，采用HILL一蔡強(qiáng)度判別式來(lái)判斷失效，同時(shí)進(jìn)行理論計(jì)算和ANSYS仿真，以及木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)加以驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果是相符的。應(yīng)用Hin一蔡屈服準(zhǔn)則，對(duì)木材裂尖塑性區(qū)進(jìn)行了分析研究，建立木材正交各向異性材料的裂尖應(yīng)力場(chǎng)及屈服準(zhǔn)則，討論各向異性常數(shù)對(duì)塑性區(qū)及斷裂性能的影響，以及木材生長(zhǎng)輪問(wèn)早材和晚材的不同強(qiáng)度比、剛度比對(duì)木材塑性區(qū)的影響，同時(shí)還從微觀結(jié)構(gòu)和ANSYS仿真驗(yàn)證了對(duì)塑性區(qū)的討論。木材的強(qiáng)度、變形和破壞性能都與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂縫擴(kuò)展以及斷裂參數(shù)有關(guān)，考慮到裂紋尺寸的隨機(jī)性，用隨機(jī)有限元計(jì)算了木材強(qiáng)度因子的變化曲線，為驗(yàn)證其可行性，用帽兒山落葉松為材料加工的緊湊拉伸試件擬和了木材強(qiáng)度因子的測(cè)試曲線，兩曲線具有相同的變化趨勢(shì)，說(shuō)明采用隨機(jī)有限元方法對(duì)木材的斷裂特性進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)是可行的。　　 本研究將有限元理論、均質(zhì)化理論、復(fù)合材料理論和木材科學(xué)相結(jié)合，屬于交叉和前沿的研究，是連接微觀與宏觀力學(xué)發(fā)展的橋梁，在工業(yè)加工等領(lǐng)域中有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值，對(duì)提高木材從微觀到宏觀的機(jī)械性能認(rèn)識(shí)、擴(kuò)大木材的適用范圍、提高木材的利用水平和實(shí)現(xiàn)木材工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！　?

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