重组竹材损伤断裂行为研究

摘要

竹材是一种绿色天然的可再生资源，具有成材快、地域分布广、产量大等特点，在建设领域具备极大的发展潜力，重组竹是将原竹重新组织强化的新型复合材料，经削丝、破碎、洗涤、干燥、浸胶、冷轧热轧制成板、梁、柱等结构。
　　本文对重组竹的成分、比例关系及生产过程中的影响因素进行归纳总结，以某工程用重组竹为原料制作试件并分组标记然后置于不同温湿度环境中养护测试。进行抗拉、抗压、三点弯曲试验以获取材料特性，抗拉曲线表现为线性上升、垂直下降呈脆性破坏，弹性峰值为极限强度等于68.5Mpa，抗压曲线表现为线性上升、弹塑性上升、屈服稳定呈塑性破坏，屈服流幅中某点为极限强度等于53.1Mpa，抗压模量约为抗压模量的2.5倍，泊松比为0.3，断裂临界条件荷载为5660.571Mpa。
　　重组竹其结构内部离散分布着大量微裂纹和层间空隙，这些初始损伤经沿袭贯通形成肉眼可见的宏观裂缝，脱胶分层是最典型的破坏形式。选择线性叠加工程判据为断裂准则，以最大周向应力理论为扩展方向，基于试验结论对三点弯曲试验进行有限元模拟，计算得到Ⅰ型断裂韧度76.545Mpa·mm1/2，由美国规范ASTME399-72得到公式解83.9Mpa·mm1/2，查询中国钢院断裂表得到24.1Mpa·mm1/2，数值解与解析解较为吻合，二维环境中Ⅰ、Ⅱ应力因子可通过公式转化，最终线性叠加得到工程判据138.586Mpa·mm1/2。
　　本文总结梳理了复合材料断裂损伤领域理论并细致研究有限元方法的计算原理和命令程序，借助大型通用有限元软件Ansys对等大反对称作用力下二维混合模式的变化及初始损伤的稳定、开裂、扩展状态进行逐步分析，数值模型基于试验所得应力-应变曲线采用多线性随动强化本构模型，并考虑大应变几何非线性效应，不断试算选择合适的迭代载荷步以保证计算精度和良好的收敛性，计算得到起裂荷载为7.8KN，扩展方向为-7.43°，应力场因子以Ⅰ型为主，Ⅱ型小范围内正负变化，因此裂缝形态趋近于直线伴随不规则上下跳动。做DCB拉伸劈裂试验，试件几何尺寸与有限元模型一致，首次扩展的荷载为4.72KN，最终形态与分析结果较为吻合，证明该方法进行损伤断裂分析是合理准确的。
　　将二维裂缝分析案例编写成APDL参数化语言，以供进一步深化研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 竹材料发展历程

1．2 工程竹材行业前景

1．2．1 材料物理特性研究

1．2．2 实际工程应用

1．2．3 发展方向

1．3 国内外复合材料损伤断裂研究现状

1．4 主要工作内容、研究方法及目的意义

第二章 重组竹构件基本力学特性试验研究

2．1 试验简介

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验设备

2．1．3 试验内容

2．2 重组竹材力学试验

2．2．1 顺纹拉伸试验

2．2．2 顺纹抗压试验

2．2．3 三点弯曲试验

2．3 本章小结

第三章 重组竹构件断裂判据对比分析

3．1 异性材料力学原理

3．2 损伤特征分类

3．2．1 宏观特征状态

3．2．2 纤维基体断裂

3．2．3 层间破坏

3．3 断裂判据计算

3．3．1 理论准则

3．3．2 数值解

3．3．3 解析解

3．4 本章小结

第四章 重组竹构件裂缝扩展分析

4．1 裂缝本构模型

4．2 双悬臂梁混合型破坏

4．2．1 有限元模型建立

4．2．2 逐步破坏分析

4．3 拉伸劈裂试验

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

致谢

参考文献

附录

在校期间发表论著及参与科研情况