竹材宏观微观力学性能试验与数值模拟

摘要

竹材是一种力学性能优异、可再生和环保的结构性材料,具有广阔的工程应用前景。准确掌握竹材各组分的力学性能参数对于竹材的工程应用具有重要意义。结合细观力学和材料力学方法得到了一种确定竹材纤维和基体材料力学性能参数的计算方法:首先通过竹材试件的准静态压缩、拉伸和弯曲试验,获得了竹材在不同加载条件下的宏观力学性能;然后结合细观力学和材料力学分析方法,得到了竹材纤维和基体的力学性能参数;在此基础上,建立了竹材的有限元分析模型并进行数值模拟。结果表明,顺纹压缩时,竹材屈服后经历了一个强化段,然后由于纤维的屈曲失稳导致压缩应力发生下降,降至一个较低值后再次升高,并逐渐被压实;而横纹压缩表现出的力学性能与普通泡沫材料较为相似,在弹性段之后进入线性弱强化阶段,随后进入致密化阶段。竹材的顺纹拉伸过程为典型脆性材料断裂过程。受弯曲载荷作用时,在达到最大荷载前变形可近似视为线弹性过程,达到最大荷载之后随着位移的增加荷载逐渐下降。根据对试验结果分析所得到的竹材微观力学性能,仿真计算应力-应变曲线和试验结果误差在10%以内,验证了以上分析方法和模型的有效性。