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木材微结构有限元建模及力—热性能计算

作　者: 张启坤
导　师: 陈秀娟；李旭东
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 木材机械性能热学性能有限元微观结构均质化
分类号: TS611
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

木质材料是人类生产生活不可或缺的材料,纵观人类发展的历史,与人类关系最密切、与环境发展最协调的材料无疑是木质材料,木材曾是人们最主要的能量来源,是可再生资源,因此木质材料的研究始终是人们关注的一个重点。有限元法的出现,为人们研究木材提供了新的有效方法,只要边界条件足够准确、单元足够小就可以逼近真实解;而计算机技术的发展又为我们提供了强大的的计算平台,对于复杂的实际问题的分析可以利用有限元软件分析,并为人们提供了强大的前后处理器,使有限元法成为理论坚实、执行模式化、运算数字化、适应性很强的受欢迎的数值方法。本文在国内外有关木材机械及热学性能研究的基础上,将材料微结构计算学、有限元方法和均质化理论应用于木材微结构模型的构建中,用等价的均匀连续体替代复杂的周期性微观结构材料的平均特性,建立宏观量场和微观量场之间的关系,最后得出代表性体积单元的本构关系和几何形貌。模型仿真采用有限元软件ABAQUS中的实体单元C3D8计算材料的物理力学性能。木材宏观上是各向异性的、多孔性的、毛细管胶体,在微观上是当作由纤维增强的细胞壁层组成的复合材料;木材从化学角度主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,本文介绍了它们的刚度矩阵特性,作为仿真时细胞壁的弹性常数。文中介绍了模型模拟的木材微结构弹性性能,细胞壁层微纤丝角度改变、细胞尺寸、含水率对木材弹性性能的影响,最后介绍了木材微结构的热传输特性,与理论值和实验值有很好的吻合,证明了用此有限元模型研究木材微观结构与宏观性能之间关系的适用性。本研究将有限元理论、均质化理论、复合材料理论和木材科学相结合,属于交叉和前沿的研究,是连接微观与宏观力学发展的桥梁,在工业加工等领域中有重要的潜在应用价值,对提高木材从微观到宏观的物理力学性能认识、扩大木材的适用范围、提高木材的利用水平和实现木材工业的可持续发展具有重要意义。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题研究的意义及背景  10-11
  1.2 木材力学热学性能及微观结构建模研究现状  11-16
    1.2.1 国外研究现状  11-13
    1.2.2 国内研究现状  13-16
  1.3 本文的主要研究内容  16-17
  1.4 本文的研究方法  17-18
第2章木材微观组织结构  18-25
  2.1 木材微观结构  18-21
    2.1.1 针叶材微观结构  18-19
    2.1.2 阔叶材微观结构  19-20
    2.1.3 针叶树材和阔叶树材组织构造的比较  20-21
  2.2 木材细胞结构  21-24
    2.2.1 木材细胞壁  21-22
    2.2.2 木材细胞的化学组成  22-24
  2.3 本章小结  24-25
第3章涉及到的一些原理  25-38
  3.1 材料微结构计算学  25
  3.2 均质化方法  25-32
    3.2.1 概述  25-26
    3.2.2 连续介质的控制方程  26
    3.2.3 周期性材料  26-27
    3.2.4 等效体积单元（RVE）  27-29
    3.2.5 细胞壁层的弹性性能  29-32
  3.3 有限元方法  32-34
    3.3.1 有限元法基本思想  32
    3.3.2 有限元法计算步骤  32-33
    3.3.3 有限元法特点  33-34
    3.3.4 有限元软件ABAQUS 介绍  34
  3.4 木材基本性能  34-37
    3.4.1 木材机械性能  34-35
    3.4.2 木材热学性能  35-36
    3.4.3 木材和水分  36-37
  3.5 本章小结  37-38
第4章木材微观结构性能模拟  38-48
  4.1 引言  38
  4.2 木材微结构力学性能模拟  38-43
    4.2.1 层间界面处的应力分布  38-39
    4.2.2 微纤丝角（MFAs）对弹性性能的影响  39-42
    4.2.3 细胞横截面形状对木材弹性性能的影响  42-43
  4.3 木材含水率对力学性能影响模拟  43-46
    4.3.1 含水率的施加  43-44
    4.3.2 微纤丝角的变化对软木湿涨收缩性能的影响  44-45
    4.3.3 图形角度的变化对软木湿涨收缩性能的影响  45-46
  4.4 木材热传输过程模拟  46-47
  4.5 本章小结  47-48
总结与展望  48-50
参考文献  50-54
致谢  54-55
附录 A 攻读硕士学位期间所发表的论文  55

木材微结构有限元建模及力—热性能计算

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