專利名稱：木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是，木材本構(gòu)關(guān)系(即應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系)模型的數(shù)值模擬方法，尤其是對(duì)木材復(fù)雜各向異性材料特點(diǎn)的模擬。
背景技術(shù)：
木材是多孔、非均勻且各向異性的材料，其復(fù)雜的本構(gòu)關(guān)系主要體現(xiàn)為在拉或剪力作用下發(fā)生脆性破壞，而在壓力作用下發(fā)生塑性變形，且在橫紋壓力作用下發(fā)生二次應(yīng)變硬化，同時(shí)拉壓強(qiáng)度不相等。除極個(gè)別如單純受拉、受剪和受壓等簡單受力情況外，就如受彎的梁等木構(gòu)件的受力是復(fù)雜的，此時(shí)本構(gòu)關(guān)系模型是否能全面反映木材復(fù)雜的各向異性特點(diǎn)，將直接影響到如破壞模式和荷載大小等有限元模擬結(jié)果的可信度。目前的大型通用有限元軟件，如ANASYS和ABAQUS等，一般只有各向同性彈性、 各向同性彈塑性、各向異性彈性和各向異性彈塑性等簡單的本構(gòu)關(guān)系模型，無法區(qū)分木材受拉、剪和受壓時(shí)不同的力學(xué)行為。Kharouf等在《Computers & Structures》2003年第 81 卷上發(fā)表的〈〈Elasto-plastic modeling of wood bolted connections〉〉禾口〈〈Journal of Structural Engineering〉〉2005 年第 131 卷第 1 其月上發(fā)表白勺〈〈Postelastic behavior of single- and double-bolt timber connections〉〉、Moses 等在((Composites Part B: Engineering〉〉2004 年第 35 卷上發(fā)表白勺〈〈Stress and failure analysis of wood composites: a new model》中針對(duì)研究對(duì)象受力單一性(僅銷槽承壓)，而使用了各向異性彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型，不僅未能區(qū)分木材拉、壓、剪不同的受力機(jī)理，而且也不能模擬木材橫紋受壓時(shí)的二次應(yīng)變硬化特點(diǎn)。^iu等在《European Journal of Wood and Wood Products》2005 年第 63 卷第 2 期上發(fā)表的《A constitutive model for OSB and its application in finite element analysis》中針對(duì)木梁的受彎特點(diǎn)，人為劃分單一受拉和受壓區(qū)并分別使用各向異性彈性和各向異性彈塑性本構(gòu)模型來模擬相應(yīng)區(qū)域的受力性能。 但對(duì)于復(fù)雜的受力情況將很難實(shí)施Zhu的方法，且該方法未曾體現(xiàn)木材的拉剪脆性破壞和橫紋受壓二次應(yīng)變硬化的特點(diǎn)。綜上所述，迄今為止尚未有一款商業(yè)軟件和一位學(xué)者提出過一個(gè)能較全面反映木材復(fù)雜本構(gòu)關(guān)系的材料模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種木材本構(gòu)關(guān)系模型的模擬方法，能全面反映木材復(fù)雜各向異性的材料特點(diǎn)，克服了現(xiàn)有本構(gòu)模型未能自行識(shí)別木材受拉、受剪和受壓不同的力學(xué)性能和未能體現(xiàn)木材橫紋受壓時(shí)發(fā)生二次應(yīng)變硬化等特點(diǎn)的不足。本發(fā)明的技術(shù)方案是(1)彈性階段的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系為正交各向異性；O)選用Yamada-Sim強(qiáng)度準(zhǔn)則在木材順紋縱向fc)、橫紋徑向O )和切向if)建立三個(gè)相互獨(dú)立的強(qiáng)度準(zhǔn)則；C3)引入損傷因子和彈性應(yīng)變能，建立了在Z JP和Γ三向不相關(guān)的應(yīng)變軟化模型；(4)由Yamada-Sim屈服函數(shù)推導(dǎo)得木材承壓塑性發(fā)展的流動(dòng)準(zhǔn)則；(5)通過設(shè)置初始和最終屈服面并控制屈服面由前者向后者轉(zhuǎn)移來描述塑性變形時(shí)的應(yīng)變硬化；(6)使用應(yīng)變方程來描述木材橫紋承壓時(shí)的二次應(yīng)變硬化。此方法適合通過編程實(shí)現(xiàn)，并可結(jié)合有限元軟件的本構(gòu)關(guān)系模塊子程序接口實(shí)現(xiàn)木材本構(gòu)關(guān)系模型的嵌入。與目前大部分木材本構(gòu)關(guān)系模型模擬方法相比，本發(fā)明木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型數(shù)值模擬方法具有以下兩個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)第一，自行識(shí)別破壞模式。本發(fā)明采用 Yamada-Sim強(qiáng)度準(zhǔn)則在木材順紋縱向(Δ)、橫紋徑向O )和切向if)建立了三個(gè)相互獨(dú)立的強(qiáng)度準(zhǔn)則，不僅可判斷木材發(fā)生哪個(gè)方向破壞，而且將根據(jù)正應(yīng)力的方向(正或負(fù))來選擇木材達(dá)到強(qiáng)度準(zhǔn)則后的破壞行為，如抗拉或抗剪破壞則發(fā)生脆性破壞的應(yīng)變軟化，否則抗壓則發(fā)生塑性發(fā)展和應(yīng)變硬化。第二，對(duì)木材橫紋壓應(yīng)力下二次應(yīng)變硬化進(jìn)行了有效模擬。本發(fā)明采用應(yīng)變方程可有效模擬木材特有的橫紋承壓二次應(yīng)變硬化特點(diǎn)。


圖1是木材材料局部坐標(biāo)。圖2是本發(fā)明的木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型。圖中，1.順紋抗拉，2.順紋抗壓，3.橫紋抗拉，4.橫紋抗壓，5. 平面或Z-Z平面抗剪，6. 7-Ζ平面抗剪，7.彈性階段，8.應(yīng)變軟化，9.應(yīng)變硬化， 10.塑性流動(dòng)，11. 二次硬化。Ζ、/ 和Γ分別為木材順紋縱向、橫紋徑向和切向；
、Fr和盡分別為木材順紋縱向fc)、橫紋徑向O )和切向if)的抗拉強(qiáng)度；吳、4和4 分別為木材Z、/P和Γ三向的抗壓屈服強(qiáng)度-H和Szx分別為木材L-R、R-T和T-L三個(gè)平面的抗剪強(qiáng)度，、τ力木材抗壓應(yīng)變硬化時(shí)屈服面轉(zhuǎn)移系數(shù)； 和 分別為木材橫紋徑向和弦向抗壓最終強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度( 和Ze)的比值；為木材順紋抗壓時(shí)應(yīng)變軟化的
門檻值，而和則分別為木材橫紋徑向和弦向承壓二次應(yīng)變硬化(簡稱二次硬化)的門檻值。
具體實(shí)施例方式一、彈性階段本構(gòu)方程。在彈性階段將各向異性的木材簡化為正交各向異性材料，此時(shí)其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，亦即本構(gòu)方程如式(1)所示
權(quán)利要求
1.一種木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)值模擬方法，其特征是(1)木材順紋縱向(L)、橫紋徑向(R)和切向(T)的強(qiáng)度準(zhǔn)則相互獨(dú)立；(2)木材L、R和T三向的應(yīng)變軟化模型不相關(guān)；C3)描述了木材橫紋承壓時(shí)的二次應(yīng)變硬化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)值模擬方法，其特征在于將木材彈性階段的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系簡化為正交各向異性。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)值模擬方法，其特征在于選用Yamada-Sim強(qiáng)度準(zhǔn)則在木材順紋縱向(L)、橫紋徑向(R)和切向(T)建立三個(gè)相互獨(dú)立的強(qiáng)度準(zhǔn)則。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)值模擬方法，其特征在于引入損傷因子和彈性應(yīng)變能，建立了在木材L、R和T三向不相關(guān)的應(yīng)變軟化模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)值模擬方法，其特征在于由Yamada-Sim屈服函數(shù)推導(dǎo)得木材承壓塑性發(fā)展的流動(dòng)準(zhǔn)則。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)值模擬方法，其特征在于通過設(shè)置初始和最終屈服面，并控制屈服面由前者向后者轉(zhuǎn)移來描述木材塑性變形時(shí)的應(yīng)變硬化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)值模擬方法，其特征在于使用應(yīng)變方程來描述木材橫紋承壓時(shí)的二次應(yīng)變硬化。
全文摘要
一種木材復(fù)雜各向異性本構(gòu)關(guān)系模型的數(shù)值模擬方法。其特點(diǎn)是(1)彈性階段的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為正交各向異性；(2)選用Yamada-Sun強(qiáng)度準(zhǔn)則在木材順紋縱向(L)、橫紋徑向(R)和切向(T)建立三個(gè)相互獨(dú)立的強(qiáng)度準(zhǔn)則；(3)引入損傷因子和彈性應(yīng)變能，建立了在L、R和T三向不相關(guān)的應(yīng)變軟化模型；(4)由Yamada-Sun屈服函數(shù)推導(dǎo)得木材承壓塑性發(fā)展的流動(dòng)準(zhǔn)則；(5)通過設(shè)置初始和最終屈服面并控制屈服面由前者向后者轉(zhuǎn)移來描述塑性變形時(shí)的應(yīng)變硬化；(6)使用應(yīng)變方程來描述木材橫紋承壓時(shí)的二次應(yīng)變硬化。其優(yōu)點(diǎn)在于能全面反映木材復(fù)雜各向異性的材料特點(diǎn)，自行識(shí)別木材受拉、受剪和受壓不同的力學(xué)性能，并能體現(xiàn)木材橫紋受壓時(shí)發(fā)生二次應(yīng)變硬化等特點(diǎn)。該方法適合通過編程實(shí)現(xiàn)，并可通過子程序模塊嵌入有限元軟件中。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102364489SQ20111032759
公開日2012年2月29日 申請(qǐng)日期2011年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月25日
發(fā)明者陳志勇 申請(qǐng)人:陳志勇