复杂应力状态下木质纤维纳米结构可视化力学建模机理研究

木纤维是可再生、可重复利用的生物质材料,利用木纤维开发的纤维增强材料具有与环境友好等诸多优点，受到人们广泛重视，但是由于对木纤维的纳米结构缺乏足够了解，其独特的尺寸效应、局域场效应、量子效应以及表面效应没有完全发挥。因此，本项目研究复杂应力状态下的生物质材料木纤维的纳米结构可视化建模机理,将有限元理论、均化理论、复合材料理论和纳米技术相结合，应用数值技术和有限分割的方法得到木纤维可视化的力学模型，应用该模型分析木质复合材料的非线性力学特性。本项目属于交叉和前沿的研究，其研究成果对提高木材以及木质复合材料从微观到宏观的力学性能认识、完善木材纳米微观力学具有重要促进作用，该项目预期的研究成果可用于各种工程产品，为终端客户提供科学试验数据以及可视化的力学响应效果。

本研究介绍了木纤维力学实验和数值模拟，通过可视化的力学模型研究了木纤维的力学性能。实验工作包含了木纤维微观结构水平下的实验和对落叶松实验测定木纤维力学参数方法。研究了木纤维微纤丝角的参数计算方法，木纤维结构模型和纳米微观模型。研究在不同尺度下，木纤维的刚度和干缩湿胀性的关系，初步研究复杂应力状态下木纤维模型数值建模机理以及可视化的仿真。. 通过在纳米微观结构观察，研究表明晚材的木纤维几何尺寸基本不变，晚材的木纤维几何尺寸和年轮的宽度呈线性变化。通过将年轮的宽度划分为早材、过度材和晚材，得到平均密度和年轮的宽度之间的理论联系。由于加载产生的结构变形，微观结构的变化结果显示在径向方向上，当承受压缩荷载时，早材区域的木纤维变化很大。通过采集无瑕疵试样的测试，确定了木纤维纵向弹性模量，收缩系数和密度实验测试值。实验表明木纤维纵向弹性模量和收缩系数沿着半径方向变化较大。早材的纵向弹性模量较小，晚材模量值迅速增长，密度也沿着半径发生变化，但是变化没有纵向的弹性模量的变化大。木纤维力学性能与微纤丝角关系紧密，木纤维的力学性能模型是在考虑微观结构的基础上提出的，模型几何形状和性能参数主要依据实验测得的数据。. 木纤维结构的有限元建模充分考虑了模型的可靠性，实体模型和薄壳模型使建模更具计算优势。梁单元也被引用到建模中，研究也表明这种模型在径向上弹性模量模拟值偏高。通过拟合木纤维不规则截面细胞的径向刚度，使模型确定的收缩性趋近实验值。木纤维复杂应力状态下的模型研究是一个关于结构非线性问题，利用几何形状的简化来研究木纤维机械性能。在数值研究中运用一个显示动态的有限元列式，假定木纤维化学组成的构成和性质都与天然木材纤维一致，理论分析木纤维破坏力取决于它的作用方向是可确定的。通过数值模拟分析纤维横截面的失效变形组合，木纤维刚度性质的模拟结果对将来建立木质复合材机械性能提供重要技术支持。. 课题组经历了3年的努力，全面完成了申请书拟订的研究任务，取得了一定的科研成果，并发表与该课题相关的文章8篇，EI已检索5篇，EI源刊收录1篇，培养博士研究生3人，培养硕士3人。