本書論述了木材的宏觀、微觀構造及其力學性質,根據其天然的早晚材與過渡材的年輪結構運用復合材料層合板理論進行力學分析,明確木材宏觀力學屬性。同時對木材微觀結構進行通用單胞模型分析,確定其微觀生長輪軸在向荷載作用下的層間剛度;趶秃喜牧霞氂^結構周期性假設,進一步構建木纖維單胞模型細觀結構幾何模型,進行強度失效微觀力學分析,預測木材細觀力學有效彈性模量,從而運用ANSYS進行木材宏觀分層失效仿真計算,獲得木材纖維增強復合材料結構的宏觀、細觀一體化分析方法。該方法在木材結構分析中能夠在獲得宏觀應力、應變場的同時,獲得細觀應力、應變場,可用于復雜細觀結構特征的復合材料結構分析,也能用于涉及材料非線性的復合材料結構分析。
本書可作為林業(yè)工程、管理科學與工程等相關專業(yè)的研究生、技術人員與管理者的參考書,也可供相關從業(yè)人員學習與參考。
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木材是吸收太陽能、
水分、二氧化碳和來自土
壤中的養(yǎng)分而生長的一種
可再生資源,利用后可被
菌類分解而再次進入自然
界物質循環(huán),具有以低負
荷進行長期性解體——再
生循環(huán)的“自然環(huán)境調和
性”,符合“和諧社會”的
要求。因為木材具有天然
花紋,易加工涂飾,裝飾
效果好,無毒無放射性,
導熱系數小,不易導電、
耐久性好,屬于保溫絕熱
材料范疇等諸多優(yōu)點,它
是人們生活中主要用材,
也是制作、車、船和各種
生產生活用具的主要原材
料,特別是作為建筑用材
,它自重較小,具有彈性
和韌性,抗震、抗沖擊性
能好,在荷載作用下具有
較高的承載力,因而較其
他材料更具有明顯的優(yōu)勢
,在農業(yè)、工業(yè)、建筑業(yè)
和日常生活等領域中大面
積應用。如今人類在能源
和工業(yè)原料等方面已經進
入多元化時代,但是木質
材料仍然是特別重要的結
構用材,同時事物具有兩
面性,木材也存在一些天
然缺陷,木節(jié)、斜紋理以
及因生長應力或自然損傷
而形成的缺陷,使其在使
用過程中容易發(fā)生形變、
干裂、翹曲等,這些問題
都會不同程度地影響木材
的使用。
隨著經濟的迅速發(fā)展
,各行各業(yè)對木材及木制
品的需求持續(xù)增加,所以
木材及木質復合材料的發(fā)
展已成為木材科學發(fā)展的
重點,現代工業(yè)及高技術
領域對優(yōu)質、高性能木材
及木質復合材料的要求不
斷提高,研究木材微觀或
細觀層次上的構造與宏觀
強韌功能的相互關系勢在
必行。進一步講,木材宏
觀的力學行為與木材細胞
的形態(tài)、細胞的力學性質
、細胞之間的連接方式以
及細胞構成組織的結構密
切相關,通過木材微觀結
構的信息來尋找木材宏觀
的有效性能,得到有效力
學性能與微結構的關系對
于木材及其木質復合材料
的發(fā)展起到促進作用。
本書有幸得到“黑龍江
省留學歸國人員科學基金
資助項目(項目編號:
LC201407)”資助,作者
帶領研究團隊開展了木材
微觀結構與細胞壁彈性常
數關系、木材強度失效微
觀力學分析、木材層合結
構強度分析、木質復合材
料力學性能分析、復合材
料參數化隨機細觀單胞模
型與木材宏微觀失效關系
的研究,探明木材受荷后
內部微細結構的變化,建
立其與宏觀力學響應之間
的聯系,并由此獲得新的
木材構造與其強韌功能相
互關系的認識,對研發(fā)能
夠克服木材缺點、具有特
殊強韌性能的新型木質復
合材料具有一定的借鑒意
義。
全書由王巍撰寫,在
撰寫的過程中,得到了東
北林業(yè)大學研究生宋寶輝
、張永智、黨甄甄、程玉
龍、李新寧、王云婷、楊
俊、孫理越、武明帥、李
興等同學,以及項目組全
體同仁的大力支持與幫助
,在此一并表達衷心的感
謝。
由于作者水平有限,
書中難免存在不足之處,
敬請廣大讀者批評指正
第1章 木材力學性質與性能
1.1 木材力學基本理論
1.1.1 木材的應力與應變
1.1.2 木材的彈性與塑性
1.1.3 木材的黏彈性
1.2 木材宏觀力學性質
1.2.1 木材宏觀結構
1.2.2 木材宏觀力學分析
1.3 木材微觀力學性質
1.3.1 木材微觀結構
1.3.2 木材微觀力學分析
1.4 本章小結
第2章 木材復合材料力學行為研究
2.1 木質復合材料
2.1.1 木材復合材料屬性
2.1.2 木質復合材料力學性能分析方法
2.2 木材復合材料彈性力學
2.2.1 木材的正交原理
2.2.2 木材的彈性系數
2.3 單向與多向復合材料力學分析
2.3.1 單向復合材料分析
2.3.2 多向復合材料力學分析
2.4 木材復合材料應力與應變分析
2.4.1 正交各向異性材料的應力-應變關系
2.4.2 正交各向異性材料的工程彈性系數
2.4.3 復合材料單層板主軸方向的應力-應變關系
2.4.4 復合材料單層板偏軸方向的應力-應變關系
2.5 本章小結
第3章 木材復合材料層合板理論
3.1 層合板剛度分析
3.1.1 層合板的概念
3.1.2 層合板的標記
3.1.3 經典層合板理論
3.1.4 層合板的剛度基本假設
3.1.5 對稱層合板的剛度分析
3.1.6 典型非對稱層合板的剛度
3.2 層合板的應力分析
3.2.1 層合板的應變與應力
3.2.2 層間應力與分層破壞
3.3 層合板的強度分析
3.3.1 層合板的應力與強度分析
3.3.2 層合板最終破壞強度
3.4 層合板的彈性分析
3.4.1 正交各向異性材料單層材料剛度
3.4.2 木材彎曲對結構剛度的影響
3.4.3 木材生長輪層間結構剛度
3.4.4 木材層合板結構強度分析
3.4.5 層合板的工程彈性常數
3.5 本章小結
第4章 通用單胞模型及有限元方法
4.1 通用單胞模型
4.1.1 GMC的基本理論
4.1.2 二維GMC
4.1.3 三維GMC
4.1.4 弱界面黏合GMC
4.1.5 復合材料參數化隨機細觀單胞模型
4.2 有限元方法
4.2.1 有限元法理論基礎
4.2.2 有限元法計算步驟
4.2.3 平面結構問題的有限單元法
4.2.4 等參元
4.2.5 空間問題的有限單元法
4.2.6 軸對稱旋轉單元有限元方法
4.3 本章小結
第5章 木材復合材料宏細觀力學行為研究
5.1 基于復合材料理論的木材宏觀結構建模
5.1.1 單層生長輪單元的模型
5.1.2 單層生長輪模型單元的選取
5.1.3 生長輪實體模型的網格劃分
5.1.4 生長輪軸向荷載作用下的層間剛度
5.2 木材纖維增強單元細觀結構建模
5.2.1 纖維增強單元本構方程和邊界條件的建立
5.2.2 代表體積單元幾何模型的有限元計算
5.3 木材細觀力學有效彈性模量的有限元預測
5.3.1 木纖維的邊界形變約束條件的確定
5.3.2 木纖維RVE細觀結構幾何模型
5.3.3 木纖維RVE細觀結構有限元模型仿真
5.3.4 木纖維RVE增強單元缺陷問題
5.4 木材宏觀結構分層失效機理模型
5.4.1 層合結構層間線性黏彈本構方程
5.4.2 層合結構黏彈性有限元控制方程
5.4.3 分層失效仿真計算
5.4.4 木材宏觀結構強度失效
5.4.5 木材宏觀層間分層失效修正模型
5.5 本章小結
參考文獻