（材料加工工程专业论文）木材微结构有限元建模及力热性能计算.pdf

f i n i t ee l e m e n tm o d e l l i n go fm i c r o s t r u c t u r eo fw o o da n ds i m u l a t ei t s p r o p e r t yo fm e c h a n i c sa n dh e a t b y z h a n gq i k u n b e ( n o r t h e a s tf o r e s t r yu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc h e nx i u j u a na n dp r o f e s s o rl ix u d o n g m a y , 2 0 1 1 69帅558 洲8ii1_m y 蛩畸j 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：爱慵绅日期：历年多月je l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：苏彦埘 刷噬名障掰 么撇， 日期：功年 e l 期：知1 年 6 月r 日 月7 日 ；，0，。良鏊b；轴薯。，-ii-，ii 0“鸯书一鼍 l啊捌嘲叠lj翟#*菩萨 _ 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的意义及背景1 1 2 木材力学热学性能及微观结构建模研究现状2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状4 1 3 本文的主要研究内容：7 1 4 本文的研究方法8 第2 章木材微观组织结构9 2 1 木材微观结构9 2 1 1 针叶材微观结构9 2 1 2 阔叶材微观结构1 0 2 1 3 针叶树材和阔叶树材组织构造的比较1 1 2 2 木材细胞结构1 2 2 2 1 木材细胞壁1 2 2 2 2 木材细胞的化学组成13 2 3 本章小结1 5 第3 章涉及到的一些原理1 6 3 1 材料微结构计算学1 6 3 2 均质化方法1 6 3 2 1 概述16 3 2 2 连续介质的控制方程1 7 3 2 3 周期性材料1 7 3 2 4 等效体积单元( r v e ) 1 8 3 2 5 细胞壁层的弹性性能2 0 3 3 有限元方法2 3 3 3 1 有限元法基本思想2 3 3 3 2 有限元法计算步骤一2 3 3 3 3 有限元法特点一2 4 3 3 4 有限元软件a b a q u s 介绍2 5 3 4 木材基本性能2 5 木材微结构有限元建模及力热性能仿真 3 4 1 木材机械性能2 5 3 4 2 木材热学性能2 6 3 4 2 木材和水分_ 2 7 3 5 本章小结一2 8 第4 章木材微观结构性能模拟一2 9 4 1 引言2 9 4 2 木材微结构力学性能模拟2 9 4 2 1 层间界面处的应力分布2 9 4 2 2 微纤丝角( m f a s ) 对弹性性能的影响3 l 4 2 3 细胞横截面形状对木材弹性性能的影响3 3 4 3 木材含水率对力学性能影响模拟3 4 4 3 1 含水率的施加3 4 4 3 2 微纤丝角的变化对软木湿涨收缩性能的影响3 5 4 3 3 图形角度的变化对软木湿涨收缩性能的影响3 6 4 4 木材热传输过程模拟3 7 4 5 本章小结3 8 总结与展望3 9 参考文献4 1 致谢4 5 附录a 攻读硕士学位期间所发表的论文一4 6 硕士学位论文 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a b a q u s 中的实体单元c 3 d 8 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。 关键词：木材，机械性能，热学性能，有限元，微观结构，均质化 木材微结构有限元建模及力热性能仿真 a b s t r a c t w o o dm a t e r i a li sr e q u i s i t ef o rh u m a nl i v i n ga n dp r o d u c t i o n t h r o u g h o u th u m a n h i s t o r y ，i ti su n q u e s t i o n a b l ew o o dm a t e r i a lh a st h ec l o s er e l a t i o n s h i pw i t hh u m a n a n d h a st h em o s th a r m o n i o u sd e v e l o p m e n tw i t he n v i r o n m e n t o n c ew o o dw a st h em a i n s o u r c eo fe n e r g yf o rh u m a n ，a n dw o o di sar e n e w a b l ee n e r g ys o u r c e ，h e n c ew o o d m a t e r i a lr e s e a r c hi sa l w a y saf o c a lp o i n tt oh u m a n t h ea p p e a r a n c eo ft h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o dw o u l dp r o v i d eh u m a nan e ww a yt o r e s e a r c hw o o d w ec a n a p p r o x i m a t et h e t r u es i t u a t i o nl o n ga st h ed i v i s i o ni se x a c ta n du n i t sa r es m a l l e n o u g h c o m p u t e rt e c h n o l o g yh a sp r o v i d e dh u m a na np o w e r f u lc a l c u l a t i o no b j e c t i v e ， a n da l s op r o v i d e dh u m a nt h ev i s u a la n a l y s i sr e s u l t so ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n u t i l i z ef i n i t es o f tw h i c hh a sp o w e r f u lp r e p r o c e s s o ra n dp o s t p r o e e s s o r a n dt h e nt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o db e c o m eap o p u l a rn u m e r i c a lm e t h o dw i t ht h ec o m b i n a t i o no f t h es o l i dt h e o r y ，i m p l e m e n tm o d u l a r i t y ，o p e r a t i o nd i g i t i z a t i o na n d t h es t r o n g a p p l i c a b i l i t y i nt h i sp a p e r ，t h em e c h a n i c a la n dh e a tp r o p e r t i e so fw o o dm i c r o s t r u c t u r ew e r e s t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yw i t hag r e a td e a lo ft e s t sb a s e do nt h ef o r m e rr e s e a r c h e si nt h e f i e l d d u r i n gt h em o d e l i n go fw o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，m a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r e c o m p u t a t i o n ，f e ma n dh e t e r o g e n e o u st h e o r yw e r ea p p l i e d t h ea v e r a g ep e r f o r m a n c e o fw o o df i b e rw i t ht h eo t h e ro r g a n i z a t i o n sw a sc o n s i d e r e ds y n t h e t i c a l l yw h o s e g e o m e t r i ca n dm a t e r i a li n f o r m a t i o nw e r ei n t e g r a t e di n t o a ne q u i v a l e n tb o d y t h e a v e r a g ep r o p e r t yo fc o m p l e xp e r i o d i c - m i c r o s t r u c t u r em a t e r i a lw a ss u b s t i t u t e db yt h e e q u i v a l e n tu n i f o r mc o n t i n u u m t h er e l a t i v ee q u a t i o n sb e t w e e nm i c r ov e c t o rf i e l d s a n dm a c r oo n e sw e r ee s t a b l i s h e dt h r o u g ht h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fs t r e s sa n d d i s p l a c e m e n ti nt h eb a s i cu n i t sw h e r et h ef i e l do fs t r a i na n ds t r e s sw a so b t a i n e db y k n o w nm a c r ov e c t o rf i e l d s ，g e o m e t r i ca n dp h y s i c a le q u a t i o n s f i n a l l y ，c o n s t i t u t i v e e q u a t i o nt h a ti st h er e l a t i o nb e t w e e nm a c r os t r e s sa n ds t r a i no fs p e c i a lu n i t sw a s a c h i e v e da c c o r d i n gt oh e t e r o g e n e o u st h e o r yw i t hc 3d 8a d o p t e d a sam o d e lt o c a l c u l a t et h ee f f i c i e n tp e r f o r m a n c ei nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo fa b a q u s ： i nt h em a c r o s c a l e ，w o o di saa n i s o t r o p i c ，m u l t i a p e r t u r ea n dc a p i l l a r yc o l l o i d a n di nt h em i c r o s c a l e ，w o o di sc o n s i d e r e da sac o m p o s i t em a t e r i a lw i t hf i b e r r e i n f o r c e m e n tc e l lw a l ll a y e r s i nc h e m i c a lp o i n t ，w o o dc o n s i s to fc e l l u l o s e ， h e m i c e l l u l o s ea n dl i g n i n t h ea r t i c l eg i v e st h ec h a r a c t e ro fs t i f f n e s sm a t r i x ，r e g a r d 硕士学位论文 a se l a s t i cc o n s t a n t so fc e l lw a l lw h e ns i m u l a t i o n w i t ht h eu s eo ft h e d e v e l o p e d h i e r a r c h i c a lm o d e l ，t h ei n f l u e n c eo ft h em i c r o s t r u c t u r e ，i n c l u d i n gm i c r o f i b r i la n g l e s ( m f a s ) ，t h es h a p eo ft h ec e l lc r o s s s e c t i o na n dt h ec e l ld i m e n s i o n ，m o i s t u r ec o n t e n t o nt h ee l a s t i cp r o p e r t i e so fs o f t w o o dw a ss t u d i e d l a s tw ep r o v i d et h ew o o dh e a t t r a n s f e rp r o p e r t i e s t h ea b o v er e s u l t sf i to nt h et h e o r e t i c a lv a l u e sa n de x p e r i m e n t a l v a l u e s i tg i v eap r o o ft h a tt h em o d e l i sa p p l i c a t i v e i nt h i ss t u d y ，f i n i t ee l e m e n tt h e o r y ，h o m o g e n i z a t i o nt h e o r y ，c o m p o s i t em a t e r i a l t h e o r y a n dw o o dm i c r o m e c h a n i c sa r er e s e a r c h e dw h i c ha r eo fc r o s s f r o n t i e r r e s e a r c ht oi m p r o v et h ea w a r e n e s so nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fw o o df r o mm i c r o t om a c r o ，e x p e n dt h es c o p eo f a p p l i c a t i o n ，e n h a n c et h ew o o du t i l i z a t i o nl e v e l t h e i n v e s t i g a t i o ni so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fw o o di n d u s t r y k e yw o r d s ：w o o d ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，t h e r m o l o g yp r o p e r t i e s ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，m i c r o s t r u c t u r e ，h e t e r o g e n e o u st h e o r y i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义及背景 人类应用木质材料有着悠久的历史，木材曾是人们最主要的能量来源，为 人类解决了数千年的能源问题，又是可再生资源，也是制作房屋、桥梁、船舶 和各种生产生活用具的重要原材料；特别是作为建筑用材，它自重较小，强重 比高，在荷载作用下具有高的承载力，因而较其它材料有其特定的优势，被广 泛应用于各领域，至今仍在农业、工业和人们日常生活领域中大面积应用。时 至今日，人类在能源和工业原料等方面已经进入多元化时代，但是木质材料仍 然是特别重要的结构用材，木材与水泥、钢材并称为三大建设用材。尽管木材 己经有了很久的应用历史，但是我们对它的性能并不是完全了解，如树种间机 械性能差异，因含水率变化而引起的变形，在施加较大负载时木材表现出复杂 的非线性力学特性，木材的热传输特性等等。木材的结构决定木材的性质，木 材的性质又决定木材的经济价值，并直接影响木材的加工及利用，因此，更好 地剖析木材的机械、热学性能尤为重要，“科学的使用木材，就须了解木材 1 1 1 。 利用有限元法分析问题的基本概念可追溯到上世纪4 0 年代，早在1 9 4 3 年， 在c o u r a n t 的论文中第一次运用有限元思想，利用最小势能原理研究了s t v e n a n t 杆件的扭转问题。“有限元法 这个名称第一次出现是在1 9 6 0 年，当时c l o u g h 在一篇平面弹性问题的论文中提到过有限元法【2 】。经过半个世纪的发展，有限元 法的理论和应用也不断发展完善，可解决的问题由浅入深，由简单到复杂：从弹 性力学问题扩展到空间问题、板壳问题；由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力 问题和波动问题；应用范围也越来越广，分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹 性及复合材料；从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等领域。至今 有限元法几乎在所有的工程问题上都得到了应用和发展，它已经成为分析各种结 构问题的有效工具，不论结构的边界条件和几何形状多么复杂，不论材料外加载 荷和本身的性质如何多变，使用有限元法均可获得满意的答案【3 1 。 随着科学技术的不断发展，有限元方法逐渐成为解决各种复杂问题的有效工 具，有限元方法与其它数值方法相比具有以下优点：首先对于有多种材料性质和 复杂几何形状的实际结构，可以通过细密的单元来描述；其次可以加入结构中所 用材料本身性质的多样性，并且结构在网格划分时有很大程度的随机性，可以通 过有限个单元来逼近存在复杂边界的大型连续域问题，并获得较精确的结果【4 1 。 而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解对象的单元足够小，计算所得数值 解即可无限的趋近于真实值；并且，有限元法具有比较稳定的分析模式，相对规 范的求解过程，各个领域的很多问题，都是可以归结成在给定的边界条件下求解 控制方程的问题。通过解析法并不能求得精确解，但应用有限元方法可以，因而 木材微结构有限元建模及力热性能仿真 说明该方法具有较高的通用性【5 】。木材是具有各向异性的非均质天然高分子复合 工程材料，其机械性能与其组织结构之间的关系非常复杂，其力学性能也表现出 强烈的非线性【6 j 。过去人们对材料非线性和结构非线性缺乏充足的认识，所以在 研究方法上只能采用假设的方法，按均质材料建模研究，模型结构比较粗糙，难 以得到木材真实的性能，随着数值技术的高速发展，有限元法逐渐成为解决各种 复杂问题的有效手段。 根据以上理论，本文拟在木材机械、热学性能建模的研究中，将有限元方法 和均质化原理应用于细胞壁模型的构建中，用等价的均匀连续体替代复杂的微观 结构是周期性的材料的平均特性，建立宏观场量和微观场量间的关系方程，最后 用均质化方法建立代表性体积单元。 本文对木材微结构进行了模拟，可直观高效的建立模型，对进一步完善木材 的研究内容具有一定的促进意义；为实现木材、木质复合材料、麦秆和竹材等材 料的模拟提供了一定参考；对木质复合材料、木结构等木质材料的线性问题及非 线性问题的求解都能起到一定的促进作用，有利于木质材料的更为全面的开发利 用，具有一定的应用价值和潜在的经济价值。 1 2 木材力学热学性能及微观结构建模研究现状 1 2 1 国外研究现状 木材力学研究起源于欧洲，在1 7 0 7 年的法国科学院论文集中有关于木 材力学性质研究的文章，最初的研究是将木材视为连续均质的材料，测试分析其 力学性能，虽具有一定的局限性，但也为人们早期合理利用木材提供了大量的资 料和数据。人们在对木材宏观力学行为研究的同时，也进行了木材微观力性能的 研究【7 j 。r u b l e m a n n ( 1 9 2 5 ) 最早研究了单根纤维力学性质，通过化学离析得到杉 木管胞并测试了它的断裂强度，在当时的实验条件下，进行这方面的研究难度很 大，可他的研究没有得到其他学者的注意，直到k l a u d i l a ( 1 9 4 7 ) 改进了实验方法， 对木材纤维的力学特性进行了一系列的研究，这方面才得到了广泛重视【引。 m a r k ( 19 6 7 ) 在其博士论文的基础上，总结了其他学者的研究成果，出版了管胞 的细胞壁力学一书，标志着管胞细胞壁力学初步形成了一个较为完整的研究体 系【9 j 。单根纤维力学性质的试验测定方法在制浆造纸行业的研究和生产中占有重 要的地位，也是验证细胞壁力学模型一种有效性的可靠方法，由于木纤维的几何 尺寸微小，因此对试验测定的设备和测试技术要求较高。b a j a y n e ( 1 9 5 9 ) 最早 得到了针叶材早、晚材管胞的纵向弹性模量、比例极限和破坏应力，最早证实了 晚材力学性能强于早材力学性能【l0 1 。 早期研究时，由于试验条件的限制，对单纤维的研究一般都集中在纤维力学 2 硕士学位论文 性能的测定上，还不具备对纤维在荷载作用下微观动态研究的条件【l l 】。2 0 世纪 8 0 年代，随着s e m 电子显微镜在微观领域的广泛应用，单纤维的力学性能的研究 进入了新的领域。s t e p h e nm s h a l e r ( 1 9 9 6 ) 研究了在s e m 显微镜下纤维的拉伸破 坏行为，同时研究了单根纤维的三维构造。m a r k ( 1 9 6 7 ) 是最早对细胞壁力学性 质作系统研究的学者，提出了管胞多层结构模型及相应的理论计算方法。 c a v e ( 1 9 7 8 ) 把m a r k 的多层细胞壁结构模型做了进一步的改进，提出了两层的细胞 壁模型，在模型中考虑了s 2 层纤丝角和s 2 层相对其它层的厚度关系，使计算结 果接近试验结果。s c h n i e w i n d 和b a r r e t t 对c a v e 的模型做了进一步的修改，提出了 多层结构模型，开始了细胞壁计算力学的新阶段【1 2 】。随后在模型中进一步考虑 含水率的影响，使得纵向弹性模量的理论计算值与薄小试件的试验值更为接近， 但m a r k 和c a v e 的研究都是将微纤丝假设成为理想化的连续体，木纤维的真实结 构是非均质和非连续的，产生计算结果的差异是不可避免的，因此l e n n a r t s a l m e n 和a l f d er u v o ( 1 9 8 5 ) 弓i 入了非连续体元素的概念，并将复合材料理论引入计算模 型，考虑了微纤丝的长径比对纤维纵向弹性模量的影响【1 3 1 。s k o p o n e n ( 1 9 8 9 ) 在 多层细胞壁模型的基础上，做了进一步的改进，在细胞组织模型中引入了射线组 织，并使用p c c h o u 提出的数学方程，计算了纵向弹性模量和干缩系数【1 4 】。j j h a r r i n g t o n 和r b o o k e r ( 1 9 9 8 ) 把细胞壁层作为单向增强复合材料，通过均质化的 方法，计算出了细胞壁各层弹性参数【l5 1 。f e n g 和y e n g ( 1 9 7 3 ) 把细胞简化成封闭的 球形膜，膜内包含有不可压缩液体。h s i n 和r i c h a r d ( 1 9 8 5 ) 贝j 是把细胞简化成球形 和圆柱形。两种细胞模型都体现了体积与内压的非线性关系f 1 6 1 。 很早人们就开始采用不同的方法对木材结构进行微观建模，研究木材的机械 性能。最早的研究者p r i c e ( 1 9 2 8 ) 将木材细胞构建成圆形截面的管状模型，成功地 获得木材刚度的解析解。在最近的研究中，人们开始采用六边形细胞结构仿真木 材细胞，g i b s o n 和a s h b y 以木材细胞为例，给出了固体细胞的等价机械性能的详 细计算过程，但该研究方法具有局限性，因为每次研究只取单一的一个细胞，所 以由此得到的性能只适用于密度相同的材料，该研究的另一个局限性是模型采用 的是两维的规则的六边形蜂房结构，然而实体木材是三维的不规则的六边形结 构。t h u v a n d e r 对用于结构分析的模型应用复合材料理论做了进一步的研究，但 该模型也仅能适用于计算细胞壁的纵向和切向的刚度和收缩性能【1 7 】。k o p o n e n 等推出了两维规则的六边形的蜂房结构的刚度和收缩性能，通过采用不同的密度 分别计算出了细胞壁在纯早材区和晚材区的性质，但一个完整的生长轮的平均性 能并没有给出。k a h l e 和w o o d l l o u s e 将木材生长轮的刚度分为早材，过渡材和晚 材分别计算，这样生长轮就分成了三个层，每一个层具有一个固定的密度，并列 构建了不规则六边形细胞结构模型，三层组合成一个完整的生长轮，生长轮的刚 3 木材微结构有限元建模及力热性能仿真 度性质可以通过解析解获得。w u 和p i t t s ( 1 9 9 9 ) 利用电子显微镜，得到较真实的细 胞形状，而后利用有限元，把细胞壁模拟成薄膜，内压被作用于细胞壁内表面上 的分布力来代替，压缩载荷引起的细胞液迁移用线性增加的载荷来描述，通过 a n s y s 仿真模拟与试验结果相比较来验证模型，得到了细胞较为真实的三维力 学模型形状【1 8 】，这也标志着有限元理论开始进入木材微观力学的研究中。h a i q i n g 和l e o nm i s h n a e s k yj r ( 2 0 0 8 ，2 0 0 9 ) 对木材微观力学模型进行了回顾，并建立 了针对木材微观结构的层叠六边形模型，利用a b a q u s 仿真了木材微观结构的层 间受力分布及随着各层微纤丝角、细胞壁厚度、密度、含水率的变化木材弹性模 量的变化【1 9 , 2 0 , 2 1 】。真正完全模拟出细胞真实结构的是s t e f a n s s o n ，通过显微图片 获得细胞的基本结构，再用有限元建模。a s t l e y 和h a r r i n g t o n 也通过相同的方法 分析了基于六边形结构模型的木材性质。 对于木材热学性能的研究，早在1 9 1 3 年，邓洛普( f d u n l o p ) 曾测定过不同 树种的1 0 0 块试样在0 1 0 6 之间的比热，发现比热与树种、密度、树木的位置 无关。上世纪7 0 、8 0 年代，美国学者约翰根据f o u r i e r 热流宏观规律与欧姆电流宏 观规律的相似性，把导体对电流的电阻与木材细胞结构对热流的热阻作类比，把 导热系数( 热导率) 与电导率类比，这些合理的类比可给出计算木材横向和纵向 导热系数的理论公式。最近h e i k ot h o e m e n ，t h o m a sw a l t h e r 等( 2 0 0 7 ) 3 0 用c t 图像 生成木材微观结构的数字模型，取出代表性体积单元进行了热和质量传输性能的 模拟2 2 1 。 木村含水量的多少在一定范围内影响木材的强度、刚性、硬度、耐腐朽以及机械 加工性能、燃烧值、导热性、导电性等。使得人们对木材含水率的影响始终是格 外关注。s t e f a n i af o r t i n o 等对宏观原木进行了了三维湿应力数值分析，并用 a b a q u s 子程序编码描述含水率变化与典型荷载的耦合作用。h a iq i n g 和l e o n m i s h n a e s k yj r ( 2 0 0 9 ) 用a b a q u s 进行了木材微观结构进行了力学分析，分析木 材含水率、密度和微结构尺寸改变对木材湿弹性和收缩性能的影响，采用的是单 胞模型，其含水率的改变采用编辑i n p u t 文件来实现。 1 2 2 国内研究现状 我国也有不少研究学者致力于木材力学和热学性能的研究，由中国林科院承 担的( 9 7 3 ) 1 垂i 家重大基础研究项目“树木育种的分子基础研究 子课题“木材结 构及化学组成与其特性的分子基础”对人工林杉木的管胞力学性质进行了系统研 究，在木材力学与树种的定向培育理论和试验方面都取得了一定的进展。江泽慧 等从细胞水平研究了针叶木材的弹性特性，给出了管胞和射线细胞纵向弹性模量 的计算方法，这是国内第一篇有关细胞壁力学研究成果，同时，根据管胞在针叶 4 硕：t 学位论文 材中的排列规律推导出了宏观弹性模量的计算方法【2 3 1 。江泽慧、余雁等首次利 用纳米压痕技术，得到了管胞细胞壁的纵向弹性模量和纳米硬度值。中国林科院 的研究人员采用零间距拉伸技术对木纤维的力学性质进行测试，该方法可以快速 得到具有统计意义的纤维纵向抗拉强度值，人工杉木管胞的纵向抗拉强度在 3 5 0 m p a - 5 0 0 m p a 。李大纲指出木材是多孔状、层次状、各向异性的非均质天然 高分子复合材料，其超微结构是细胞壁由不同厚度的层次组成，木材细胞壁组织 结构与其力学特性之间的关系非常复杂，顺纹压缩时细胞壁会压皱，在细胞壁受 拉伸或剪切的部位会出现滑移面，并出现在细胞壁内或细胞壁之间的破裂，木材 在受到外力后表现出宏观破坏是由于木材细胞壁及各细胞之间复杂的微观断裂 损伤【2 引。马岩采用微观力学和细胞学理论，在横观各向同性的假设下，提出了 一种木材规则细胞主方向截面形状描述的理论方法一木材横断面六棱规则细胞 数学描述理论，为木材学运用数学手段深入到细胞结构研究提供了一种新的数学 方法，并且可以为木材规则细胞变异后材性与性能的提高提供数学模型【2 5 1 。林 金国等对杉木人工林木材的力学性质和纤维形态的关系进行了相关的分析，分析 结果表明杉木人工林的顺纹抗压强度、抗弯强度等各项力学性能指标与纤维的长 度、细胞的壁厚、胞壁率存在着显著的关系【2 6 1 。赵荣军和杨培华等通过对陕西 油松的物理力学性质的研究，得出微纤丝角越小，材质越优良，据此可以预测结 构用材的品质【2 。王丽宇、鹿振友等按照传统的强度理论，对干燥后用做建筑 的木材进行校核和设计时，研究了木材的正交各向异性特征和其干燥后裂纹，以 及裂纹对木材强度的影响，并结合木材正交各向特征对其裂纹与断裂力学行为的 研究方法提出了初步的构想【2 引。邵卓平、任海青、江泽慧以杉木为研究对象从 宏观和微观上研究了木材横纹断裂的性质，并阐述了木材的强韧机理，研究表明： 木材横纹i 型裂纹扩展方式是先沿纤维开裂伸展，然后再沿横截面作韧性断裂， 其扩展过程分线性、稳定和非稳定三个阶段，顺纹启裂时的断裂韧性与试件尺寸 无关，是木材的固有属性，木材因其多胞及纤维增强的多层胞壁结构，而具有很 强的抗横断韧性，不会因裂尖应力奇异性而发生低工作应力破坏，故在对含横纹 理裂纹的木构件作安全设计时，建议仍采用传统的强度准则，考虑净尺寸上的常 规强度即可【29 。江泽慧、姜笑梅等研究了由木材内部结构参数确定其物理力学 特征的神绎网络设计与实现的方法一广义回归神经网络( g r n n ) 模型，该方法全 面、准确地揭示出杉木微观结构参数与其物理力学特性的内在联系，并且达到理 想的逼近精度，这一结果将为木材性质研究、木材性质形成枫理提供科学依据及 研究方法i j 。张爽、王栋等建立了复合材料三维累积损伤有限元模型，采用扩 展拉格朗日u 乘子法对螺栓表面和复合材料层合板孔壁间的接触行为进行了模 拟，对复合材料层合板中纤维断裂、基体开裂和纤维基体剪切类基本损伤类型的 产生、扩展以及它们之间的关联性进行了研究，计算得到了复合材料层合板单钉 连接结构的载荷一位移曲线，验证了不同铺层类型和结构尺寸对复合材料层合板 5 木材微结构有限元建模及力热性能仿真 机械连接挤压性能的影响，试验结果和计算结果吻合较好，证明了该模型和算法 的有效性【3 1 1 。高永毅根据植物细胞结构的力学特点，利用有限元方法，以二维 问题为研究对象，建立了能够描述植物细胞单体受力变形、细胞壁应力和内压变 化和便于建立宏观植物组织力学模型的单细胞力学模型，在建立的单细胞力学模 型的基础上，建立了细胞形状为多面体的植物组织的细胞力学模型。利用a n s y s 有限元计算软件和m a t l a b 计算软件对植物单细胞和宏观组织力学模型进行了 分析和计算【32 1 。李明宝在木材机械性能建模的研究中，将有限元方法和均质化 理论应用于生长轮模型的构建中，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方程，最后根据均质化 方法建立代表性单元的本构关系【4 】。赵辉利用a n s y s 仿真软件建立了方材5 点弯 曲模型，对方材的弯曲变形、弯矩和应力进行了计算和分析，确定了木材弯曲时 的危险点和危险截面，这对于提高木材弯曲的成品率，节约原料成本具有重要意 义【3 3 】。赵雪松等采用有限元分析软件a n s y s 对竹材曲面受压过程进行仿真求 解。虚拟试验获得了理想的试验结果，将竹材受压变形过程的各个物理量的变化 规律清楚直观地表现出来，取得常规试验难以达到的效果，为下一步的单片变厚 度竹材压制试验、双片变厚度竹材胶合试验直至竹材曲面胶合产品的最终研制打 下了坚实的基础【3 4 j 。郑世强等引用简化的罚函数本构方程，完成幂律非线性随 机有限元方法，将随机有限元方法引入木材断裂力学；考虑到裂纹尺寸的随机性， 根据j 积分的变化率以及j k 的关系计算出木材强度因子的变化曲线；为验证 其可行性，进行相关实验，木材强度因子的测试曲线具有相同的变化趋势，误差 在同一个标准差内，从而证明采用随机有限元方法对木材的断裂特性进行计算和 预测是可行和适用的【3 。王逢瑚等尝试将有限元法引入到木材的模态分析中来， 并用有限元分析软件来获取木材的振动频率；通过与f f t 试验模态分析的结果 比较可知：模拟结果偏低，但两种方法得出的频率较为接近，两者拟和效果较好， 在软件分析中选取的支架桥面合一的材料模型是合理的，材料单元的选取和网格 的划分也是可行的1 3 6 1 。方升佐等研究了杨树微纤丝角的改变对木材性质的影响， 相关分析表明，微纤丝角与木材基本密度、纤维长度、纤维宽度和纤维素含量存 在显著的负相关关系1 37 。 郑世强，曹军对具有各向异性的木材温度场做了初步研究，给出根据木材稳 态热传导分析的基本理论针对木材的热各向异性，利用有限元的方法，对木材温 度场进行了理论数值模拟计算和测量试验验证；仿真和试验结果比较可靠，误差 在3 5 4 2 ，能够满足工程计算的精度要求，证明了这种方法的有效性【3 引。 胡亚才等对木材微结构对传热性能影响进行了实验研究，得出木材微结构的不同 对其传热特性有显著影响，木材多孔部分在整个传热过程中起重要作用，在相同 含水率的情况下，孔隙率高而孔隙小的木材传热能力较弱【3 9 1 。俞自涛等以4 种常 用木材为实验对象，研究了不同温度和热流方向对木材的导热系数、比热