【博士】有限元理論的木材機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械性能建模與仿真研究　　授予學位：博士　　學位授予單位：東北林業(yè)大學　　學位年度：2007　　木材是人民生活和經(jīng)濟建設(shè)的重要工程材料，隨著現(xiàn)代化工業(yè)和科學技術(shù)的發(fā)展，木材作為一種具有優(yōu)勢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，但是對其機械性能還不是完全了解，如樹種間機械性能差異，裂紋擴展，因含水率變化而引起的變形，在施加較大負載時木材表現(xiàn)出復雜的非線性力學特性等等。木材結(jié)構(gòu)決定來材的性質(zhì)，木材的性質(zhì)又決定木材經(jīng)濟價值，并直接影響木材的加工和利用，因此，更好剖析木材的機械性能尤為重要?！　? 本文在國內(nèi)外有關(guān)木材機械性能研究的基礎(chǔ)上，通過試驗系統(tǒng)分析了木材微觀構(gòu)造和宏觀構(gòu)造不同構(gòu)造級上的機械性能。通過微觀結(jié)構(gòu)觀察得出木材早材、過渡材、晚材寬度按生長輪序號的分布關(guān)系；通過對木材逐個生長輪密度的測量，得出了密度隨生長輪序號的分布關(guān)系；通過對木材逐個生長輪制取的薄小試件，測量了木材早、晚材的剛度隨生長輪序號的分布關(guān)系；木材的機械性能與含水率緊密相關(guān)，試驗測量了木材三個主方向的收縮系數(shù)與生長輪序號的分布關(guān)系。在木材機械性能建模的研究中，將有限元方法和均質(zhì)化理論應(yīng)用于生長輪模型的構(gòu)建中，用等價的均勻連續(xù)體替代復雜的周期性微觀結(jié)構(gòu)材料的平均特性，建立宏觀量場和微觀量場之間的關(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實體模型單元SOLID46計算材料的有效性能。木材結(jié)構(gòu)建模研究中應(yīng)用了復合材料理論，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問的剛度轉(zhuǎn)換關(guān)系；木材宏觀結(jié)構(gòu)可以視為由各生長輪層合而成的復合結(jié)構(gòu)，應(yīng)用層合板的強度理論對木材進行了強度分析，采用HILL一蔡強度判別式來判斷失效，同時進行理論計算和ANSYS仿真，以及木材順紋抗拉強度試驗加以驗證，試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果是相符的。應(yīng)用Hin一蔡屈服準則，對木材裂尖塑性區(qū)進行了分析研究，建立木材正交各向異性材料的裂尖應(yīng)力場及屈服準則，討論各向異性常數(shù)對塑性區(qū)及斷裂性能的影響，以及木材生長輪問早材和晚材的不同強度比、剛度比對木材塑性區(qū)的影響，同時還從微觀結(jié)構(gòu)和ANSYS仿真驗證了對塑性區(qū)的討論。木材的強度、變形和破壞性能都與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂縫擴展以及斷裂參數(shù)有關(guān)，考慮到裂紋尺寸的隨機性，用隨機有限元計算了木材強度因子的變化曲線，為驗證其可行性，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度因子的測試曲線，兩曲線具有相同的變化趨勢，說明采用隨機有限元方法對木材的斷裂特性進行計算和預(yù)測是可行的?！　? 本研究將有限元理論、均質(zhì)化理論、復合材料理論和木材科學相結(jié)合，屬于交叉和前沿的研究，是連接微觀與宏觀力學發(fā)展的橋梁，在工業(yè)加工等領(lǐng)域中有重要的潛在應(yīng)用價值，對提高木材從微觀到宏觀的機械性能認識、擴大木材的適用范圍、提高木材的利用水平和實現(xiàn)木材工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！　?

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