[发明专利]木材复杂各向异性本构关系模型的数值模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是，木材本构关系（即应力—应变关系）模型的数值模拟方法，尤其是对木材复杂各向异性材料特点的模拟。

背景技术

木材是多孔、非均匀且各向异性的材料，其复杂的本构关系主要体现为在拉或剪力作用下发生脆性破坏，而在压力作用下发生塑性变形，且在横纹压力作用下发生二次应变硬化，同时拉压强度不相等。除极个别如单纯受拉、受剪和受压等简单受力情况外，就如受弯的梁等木构件的受力是复杂的，此时本构关系模型是否能全面反映木材复杂的各向异性特点，将直接影响到如破坏模式和荷载大小等有限元模拟结果的可信度。

目前的大型通用有限元软件，如ANASYS和ABAQUS等，一般只有各向同性弹性、各向同性弹塑性、各向异性弹性和各向异性弹塑性等简单的本构关系模型，无法区分木材受拉、剪和受压时不同的力学行为。Kharouf等在《Computers & Structures》2003年第81卷上发表的《Elasto-plastic modeling of wood bolted connections》和《Journal of Structural Engineering》2005年第131卷第1期上发表的《Postelastic behavior of single- and double-bolt timber connections》、Moses等在《Composites Part B: Engineering》2004年第35卷上发表的《Stress and failure analysis of wood composites: a new model》中针对研究对象受力单一性（仅销槽承压），而使用了各向异性弹塑性本构关系模型，不仅未能区分木材拉、压、剪不同的受力机理，而且也不能模拟木材横纹受压时的二次应变硬化特点。Zhu等在《European Journal of Wood and Wood Products》2005年第63卷第2期上发表的《A constitutive model for OSB and its application in finite element analysis》中针对木梁的受弯特点，人为划分单一受拉和受压区并分别使用各向异性弹性和各向异性弹塑性本构模型来模拟相应区域的受力性能。但对于复杂的受力情况将很难实施Zhu的方法，且该方法未曾体现木材的拉剪脆性破坏和横纹受压二次应变硬化的特点。综上所述，迄今为止尚未有一款商业软件和一位学者提出过一个能较全面反映木材复杂本构关系的材料模型。

发明内容

本发明提供了一种木材本构关系模型的模拟方法，能全面反映木材复杂各向异性的材料特点，克服了现有本构模型未能自行识别木材受拉、受剪和受压不同的力学性能和未能体现木材横纹受压时发生二次应变硬化等特点的不足。

本发明的技术方案是：(1) 弹性阶段的应力—应变关系为正交各向异性；(2) 选用Yamada-Sun强度准则在木材顺纹纵向(L)、横纹径向(R)和切向(T)建立三个相互独立的强度准则；(3) 引入损伤因子和弹性应变能，建立了在L、R和T三向不相关的应变软化模型；(4) 由Yamada-Sun屈服函数推导得木材承压塑性发展的流动准则；(5) 通过设置初始和最终屈服面并控制屈服面由前者向后者转移来描述塑性变形时的应变硬化；(6) 使用应变方程来描述木材横纹承压时的二次应变硬化。此方法适合通过编程实现，并可结合有限元软件的本构关系模块子程序接口实现木材本构关系模型的嵌入。

与目前大部分木材本构关系模型模拟方法相比，本发明木材复杂各向异性本构关系模型数值模拟方法具有以下两个显著优点：第一，自行识别破坏模式。本发明采用Yamada-Sun强度准则在木材顺纹纵向(L)、横纹径向(R)和切向(T)建立了三个相互独立的强度准则，不仅可判断木材发生哪个方向破坏，而且将根据正应力的方向(正或负)来选择木材达到强度准则后的破坏行为，如抗拉或抗剪破坏则发生脆性破坏的应变软化，否则抗压则发生塑性发展和应变硬化。第二，对木材横纹压应力下二次应变硬化进行了有效模拟。本发明采用应变方程可有效模拟木材特有的横纹承压二次应变硬化特点。

附图说明

图 1 是木材材料局部坐标。

图 2 是本发明的木材复杂各向异性本构关系模型。