湿条件下竹/木复合材料力学性能研究与优化设计

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本文所研究的竹/木复合层合板是一种新型结构板,它由竹帘单板和杨木单板交替层叠,经一定的热压工艺制作而成。本文围绕层合板在湿环境下的弯曲和强度问题进行了深入、全面地研究和分析。首先,通过采用以往研究中得出的数据,确定了竹帘单板和杨木单板的相关弹性常数和湿膨胀系数。其次,在分析了竹/木复合层合板结构特点和工况的基础上,分别建立了在湿环境下的力学计算模型。运用最小势能原理导出了考虑湿效应后竹/木复合层合梁弯曲问题的经典理论、一阶剪切变形理论下的应力、挠度和弹性模量的具体表达式。考虑湿效应后推导出的公式与未考虑之前的公式相比较:挠曲线方程和正应力方程中均多了项由湿效应引起的变形,而剪应力无变化,这是因为单层板吸湿后发生膨胀变形,只有线应变而无剪应变,因而剪应力没有发生变化。然后基于MATLAB,编制了竹木复合层合板的力学性能预报的可视化系统。在理论分析基础上,本文运用有限单元法对竹/木复合层合板的弯曲问题进行了分析计算。分析计算主要是基于大型通用有限元分析软件ANSYS上的。同时,对Mindlin板单元以及ANSYS系统中的优化模块、层单元进行了简要的介绍。分析结果表明,当考虑湿环境后,层合板的弹性模量值明显变小了,在相同载荷作用下,变形(即位移)增大,应力也增大,充分说明了湿效应不仅会产生湿变形与应力,同时还会改变材料本身的刚度和强度等性能。有限单元法用于分析竹/木复合材料的结构力学性能具有相当精度,并且可以与其它方法互相验证。但其精度不但取决于力学计算模型,而且与网格划分的密度和单元的选择也密切相关。最后,本文运用ANSYS的优化模块对竹/木复合层合板的结构进行优化设计。结果表明,通过改变杨木单板和竹帘单板的厚度或铺层角度可以减轻板的质量。
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