基于XFEM的重组竹Ⅰ、Ⅱ型断裂数值模拟
发布时间：2021-08-16 13:02
重组竹是一种以竹束为构成单元,通过疏解浸胶、定向组胚、压制而成的新型工程竹复合材料。然而重组竹在复杂生产过程中,竹束直径尺寸大小不一、酚醛胶分布的非均匀性以及纤维不完全定向铺排等因素导致重组竹内部不可避免地出现沿顺纹方向的细微裂缝。当重组竹用于受力构件时,裂纹尖端应力集中可能会导致裂纹扩展,直至构件断裂破坏。裂隙的存在,降低了重组竹的宏观强度,当其用于建筑结构时存在工程隐患。重组竹构件在工程应用时,体内裂纹一般以复合型裂纹的形式出现,应力状态复杂。单一的I/II型裂纹是研究复合型裂纹的基础。为了防止断裂失效的发生,有必要对复合材料的纯I型和纯II型裂纹的启裂和扩展规律进行研究,该工作对工程设计和应用指导具有重要的意义。除解析法和试验法是研究断裂问题的重要方法,数值模拟方法也是研究裂纹扩展问题的有效手段。随着仿真模拟技术的不断发展,有限元软件在断裂问题方面的应用更加广泛。本文以ABAQUS有限元软件为平台,运用内聚力模型（CZM）和扩展有限元方法（XFEM）分别模拟了重组竹双悬臂梁I型断裂和端部缺口II型断裂,得到以下结论:（1）重组竹三维双悬臂梁（DCB）、端部缺口弯曲（ENF）模型采...
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
重组
1第一章绪论1.1研究背景及意义生态环境的可持续发展呼吁建筑业推崇使用绿色环保的建筑材料，木材与竹材是典型的低碳环保建筑材料，易降解并且可循环利用。由于我国木材资源有限，人们对木材的需求量日益增多，竹材作为短周期可再生资源可有效缓解木材资源短缺的现状。与木材不同，原竹自然的壁薄中空结构、有限的尺寸和较低的刚度限制了它在建筑中的广泛应用。因此人们对竹材展开研究，研制出与木材性能相似的复合材料——重组竹。重组竹由原竹经过剖切、碾压成篾，再以竹纤维束为组成单元通过顺纹组胚，浸胶，烘干，热压而成的生物质材料，生产过程如图1-1。与木材相比，重组竹具有更优异的力学性能[1]、较小的干缩系数[2]，因此将重组竹开发成承重构件并应用于竹结构建筑具有实际意义。近年来，随着竹材防腐、防霉技术[3]的发展，为重组竹应用于建筑结构夯实了基矗（1）剖切（2）切片，去青去黄（3）碾压成篾（4）组胚浸胶（5）烘干（6）热压成型图1-1重组竹生产过程Fig.1-1TheproductionprocessofPSB由于竹束疏解工艺简单，纤维难以达到均匀分布，施胶存在不一致性，重组竹存在生产缺陷，材料内部存在细微孔洞甚至沿顺纹方向的细微裂纹，因而处于受力状态下的重组竹不可避免地带裂缝工作。微裂缝周围产生应力集中现象，当应力强度达到材料临界值时，材料在低于屈服应力情况下发生破坏，即所谓的低应力脆断现象。层间断裂是最常见的失效形式，这种层间分层会导致纤维断裂，降低材料强度以及构件承载力，减少复合材料的使用寿命。目前，重组竹处于基础性研究阶段，由于完整标准体系和设计计算理论的欠缺，该新型材料还未大规模投入实际工程中。重组竹的研究主要集中在断裂破坏机理分析和断裂
28率可以避免裂纹的不稳定传播，试验如图3-2所示。当荷载达到峰值并下降，裂纹扩展抵达试件末端时试验停止。在裂纹扩展过程中，载荷-位移曲线是唯一需要记录的数据，因为它是获得R曲线的基矗最后，将R曲线的GIC与模拟得到的GIC进行比较，评估该方法的性能。图3-2DCB试验照片Fig.3-2DCBtestphoto材性的准确性直接影响了模拟结果的准确与否。正交各向异性材料的应力-应变关系可以用工程弹性常数来表示，为此对同批次重组竹进行了基本力学性能试验测定，取多个试件测定结果的平均值。横纹和顺纹方向的弹性模量和泊松比通过轴压重组竹长方体小试件测得，具体测定步骤参考ASTMD143-09《木材小样品的试验》；剪切模量通过V型剪切试件测得，详细测定步骤参考ASTMD7078/D7078M-12《V型复合材料面内剪切性能试验方法》。3.2模型建立3.2.1前处理工作有限元前处理工作包括创建几何实体部件，指定截面材料属性，装配部件，设置裂纹，网格划分，选择单元类型，定义接触属性，添加边界条件等。模型是仿真的基础，模型的还原度直接决定了分析结果的可靠度。基于有限元软件ABAQUS，建立带预制裂纹的双悬臂模型。在对模型进行荷载设定时，为消除耦合带来的局部扭转效应，建立刚体并将其贯穿于双悬臂预制的销孔内，设置两个刚体的相反位移，通过在刚性体的参考点上施加边界条件可以描述整个刚体的运动。单元尺寸也是影响有限元分析的一个重要因素，它必须短于内聚区长度。当单元尺寸过大，较少的单元离散时，裂纹尖端前方的牵引力分布不能准确地表示出来。网格划分时，在保证计算精度的前提下，为减少相对所需的计算时间采用网格局部加密。划分部件并在裂纹扩展区附近细化局部网格，得到精确的模拟结果（高度方向每1mm划分一次）；而在远离裂纹?
【参考文献】：
期刊论文
[1]正交各向异性材料裂纹疲劳扩展的扩展有限元法研究[J]. 徐建新,郝宇. 装备制造技术. 2019(12)
[2]重组竹Ⅱ型断裂特性试验研究[J]. 黄东升,潘文平,周爱萍,王骁睿,许嘉诺. 东南大学学报(自然科学版). 2018(06)
[3]基于扩展有限元法的混凝土重力坝宏细观断裂数值分析[J]. 卿龙邦,喻渴来,徐东强. 水力发电学报. 2017(06)
[4]重组竹抗压和抗弯力学性能试验研究[J]. 张秀华,鄂婧,李玉顺,张懿婷. 工业建筑. 2016(01)
[5]7050铝合金材料R曲线的三维效应与试验研究[J]. 陈涛,何宇廷,伍黎明,张腾. 科学技术与工程. 2014(13)
[6]模拟三维裂纹问题的扩展有限元法[J]. 余天堂. 岩土力学. 2010(10)
[7]重组竹材耐腐防霉性能的研究[J]. 秦莉,于文吉,余养伦. 木材工业. 2010(04)
[8]家具用重组竹干缩与湿胀性能研究[J]. 关明杰,林举媚,朱一辛. 竹子研究汇刊. 2009(03)
[9]扩展有限元法（XFEM）及其应用[J]. 李录贤,王铁军. 力学进展. 2005(01)
硕士论文
[1]基于XFEM超高韧性水泥基复合材料裂纹扩展的数值模拟分析[D]. 李魏魏.山东科技大学 2017
[2]内聚力和扩展有限元方法在裂纹扩展模拟中的应用研究[D]. 李卓.广西大学 2013
本文编号：3345719
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
重组
1第一章绪论1.1研究背景及意义生态环境的可持续发展呼吁建筑业推崇使用绿色环保的建筑材料，木材与竹材是典型的低碳环保建筑材料，易降解并且可循环利用。由于我国木材资源有限，人们对木材的需求量日益增多，竹材作为短周期可再生资源可有效缓解木材资源短缺的现状。与木材不同，原竹自然的壁薄中空结构、有限的尺寸和较低的刚度限制了它在建筑中的广泛应用。因此人们对竹材展开研究，研制出与木材性能相似的复合材料——重组竹。重组竹由原竹经过剖切、碾压成篾，再以竹纤维束为组成单元通过顺纹组胚，浸胶，烘干，热压而成的生物质材料，生产过程如图1-1。与木材相比，重组竹具有更优异的力学性能[1]、较小的干缩系数[2]，因此将重组竹开发成承重构件并应用于竹结构建筑具有实际意义。近年来，随着竹材防腐、防霉技术[3]的发展，为重组竹应用于建筑结构夯实了基矗（1）剖切（2）切片，去青去黄（3）碾压成篾（4）组胚浸胶（5）烘干（6）热压成型图1-1重组竹生产过程Fig.1-1TheproductionprocessofPSB由于竹束疏解工艺简单，纤维难以达到均匀分布，施胶存在不一致性，重组竹存在生产缺陷，材料内部存在细微孔洞甚至沿顺纹方向的细微裂纹，因而处于受力状态下的重组竹不可避免地带裂缝工作。微裂缝周围产生应力集中现象，当应力强度达到材料临界值时，材料在低于屈服应力情况下发生破坏，即所谓的低应力脆断现象。层间断裂是最常见的失效形式，这种层间分层会导致纤维断裂，降低材料强度以及构件承载力，减少复合材料的使用寿命。目前，重组竹处于基础性研究阶段，由于完整标准体系和设计计算理论的欠缺，该新型材料还未大规模投入实际工程中。重组竹的研究主要集中在断裂破坏机理分析和断裂
28率可以避免裂纹的不稳定传播，试验如图3-2所示。当荷载达到峰值并下降，裂纹扩展抵达试件末端时试验停止。在裂纹扩展过程中，载荷-位移曲线是唯一需要记录的数据，因为它是获得R曲线的基矗最后，将R曲线的GIC与模拟得到的GIC进行比较，评估该方法的性能。图3-2DCB试验照片Fig.3-2DCBtestphoto材性的准确性直接影响了模拟结果的准确与否。正交各向异性材料的应力-应变关系可以用工程弹性常数来表示，为此对同批次重组竹进行了基本力学性能试验测定，取多个试件测定结果的平均值。横纹和顺纹方向的弹性模量和泊松比通过轴压重组竹长方体小试件测得，具体测定步骤参考ASTMD143-09《木材小样品的试验》；剪切模量通过V型剪切试件测得，详细测定步骤参考ASTMD7078/D7078M-12《V型复合材料面内剪切性能试验方法》。3.2模型建立3.2.1前处理工作有限元前处理工作包括创建几何实体部件，指定截面材料属性，装配部件，设置裂纹，网格划分，选择单元类型，定义接触属性，添加边界条件等。模型是仿真的基础，模型的还原度直接决定了分析结果的可靠度。基于有限元软件ABAQUS，建立带预制裂纹的双悬臂模型。在对模型进行荷载设定时，为消除耦合带来的局部扭转效应，建立刚体并将其贯穿于双悬臂预制的销孔内，设置两个刚体的相反位移，通过在刚性体的参考点上施加边界条件可以描述整个刚体的运动。单元尺寸也是影响有限元分析的一个重要因素，它必须短于内聚区长度。当单元尺寸过大，较少的单元离散时，裂纹尖端前方的牵引力分布不能准确地表示出来。网格划分时，在保证计算精度的前提下，为减少相对所需的计算时间采用网格局部加密。划分部件并在裂纹扩展区附近细化局部网格，得到精确的模拟结果（高度方向每1mm划分一次）；而在远离裂纹?
【参考文献】：
期刊论文
[1]正交各向异性材料裂纹疲劳扩展的扩展有限元法研究[J]. 徐建新,郝宇. 装备制造技术. 2019(12)
[2]重组竹Ⅱ型断裂特性试验研究[J]. 黄东升,潘文平,周爱萍,王骁睿,许嘉诺. 东南大学学报(自然科学版). 2018(06)
[3]基于扩展有限元法的混凝土重力坝宏细观断裂数值分析[J]. 卿龙邦,喻渴来,徐东强. 水力发电学报. 2017(06)
[4]重组竹抗压和抗弯力学性能试验研究[J]. 张秀华,鄂婧,李玉顺,张懿婷. 工业建筑. 2016(01)
[5]7050铝合金材料R曲线的三维效应与试验研究[J]. 陈涛,何宇廷,伍黎明,张腾. 科学技术与工程. 2014(13)
[6]模拟三维裂纹问题的扩展有限元法[J]. 余天堂. 岩土力学. 2010(10)
[7]重组竹材耐腐防霉性能的研究[J]. 秦莉,于文吉,余养伦. 木材工业. 2010(04)
[8]家具用重组竹干缩与湿胀性能研究[J]. 关明杰,林举媚,朱一辛. 竹子研究汇刊. 2009(03)
[9]扩展有限元法（XFEM）及其应用[J]. 李录贤,王铁军. 力学进展. 2005(01)
硕士论文
[1]基于XFEM超高韧性水泥基复合材料裂纹扩展的数值模拟分析[D]. 李魏魏.山东科技大学 2017
[2]内聚力和扩展有限元方法在裂纹扩展模拟中的应用研究[D]. 李卓.广西大学 2013
本文编号：3345719
本文链接：https://www.wllwen.com/jianzhugongchenglunwen/3345719.html
