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木材裂纹尖端区域应力场的数值分析和测试

作　者: 孙艳玲
导　师: 鹿振友
学　校: 北京林业大学
专　业: 木材科学与技术
关键词: 木材裂纹断裂应力有限元裂纹尖端断裂力学数字散斑相关
分类号: S781.3
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

为了分析研究白桦木材裂纹尖端附近的位移场、应力场和应变场的真实情况，本论文在对木材做了一些基本的假设：(1) 木材的正交各向异性；(2) 木材的线弹性；(3) 木材的均匀连续性以后，测定出白桦试件在10℃、相对湿度为60％时的一些基本的力学参数。在此基础上，将断裂力学的概念应用到各向异性的变异性很大的木材上，借助复合材料断裂力学的研究方法来研究木材的断裂规律，应用有限元计算软件Ansys分析、建立了木材的本构方程，计算出木材Ⅰ型裂纹尖端的位移、应变和应力，并在Matlab软件平台下编制出后处理程序，使得图形直观、清晰。同时，将数字散斑相关测试方法用在木材裂纹尖端的位移场和应变场的测量上。为了提高数字散斑相关测试方法中相关运算的精度，本文首次提出两种新的4结点和8结点等参单元位移模式，并利用现有的3种简单变形数值模拟相关运算程序验证了这两种位移模式的正确性和适用范围，也首次将复杂变形的数值模拟用到这两种新的位移模式中，进一步的验证了其正确性和适用的范围。在此基础上用数字散斑相关方法测量了木材Ⅰ型裂纹尖端的位移场和应变场，并首次编制出适合木材Ⅰ型裂纹尖端的有限元相关运算程序，将散斑图变成数据进行相关运算，计算出木材Ⅰ型裂纹尖端的应变和位移，并在Matlab软件平台下编制出后处理程序。最后对Ansys有限元计算的理论值和用数字散斑相关实验测试的实验值进行了比较。相信该理论分析和实验技术测试研究将为木材断裂力学的研究提供新的思路和方法。本研究结果归纳如下： 1．应用Ansys有限元计算软件，建立了木材弯曲梁的二维和三维正交各向异性有限元模型，分别采用裂纹尖端有限元网格细化和在裂纹周围布置奇异单元的方法来模拟裂纹尖端的奇异场，对木材裂纹尖端位移场、应力场、应变场进行分析研究。并在Matlab软件平台下编制出相应的后处理程序绘制出木材裂纹尖端附近的三维曲面位移、应力和应变图及二维平面图，直观、清晰； 2．本文通过分析应用于数字散斑相关方法中的各种位移模式后，首次将有限元方法中的位移模式引入到数字散斑相关测试的位移场和应变场的相关运算木材裂纹尖端区域应力场的数值分析和测试中，并结合物体的具体变形提出了两种适合于木材变形对象的位移模式，即4结点等参位移模式和8结点等参位移模式。提高了数字散斑相关测试的分析精度; 3.对数值模拟进行了系统的研究和讨论。借鉴简单变形的数值程序组，首次编制出复杂变形的数值模拟程序组，利用复杂变形的数值模拟程序对铝试件进行了三点弯曲变形的数值模拟，将其结果同有限元计算的结果比较，验证了4结点等参位移模式和8结点等参位移模式在复杂变形上应用的有效性和准确性。 4.通过散斑相关测试结果的值与有限元计算结果值的比较，验证了数字散斑相关测试方法和理论研究的一致性，计算结果和实验测量精确可靠; 5.数字散斑相关方法是一种有着广泛应用前景的实验力学新方法，但其也存在着计算量大、计算精度不高的缺陷。如何合理的解决好这一问题，是数字散斑相关方法得到广泛应用的一个最关键的问题。从本文的研究工作中得出的经验看，对于更复杂的位移模式，可以设计出更完备的、适合具体变形的位移模式，如本文设计的4结点和8结点等参单元的位移模式，这使其在处理复杂变形时拥有曲边特性，更接近真实的变形情况，使精度更高，从而解决了数字散斑相关方法中由位移计算应变的相关度精度不高的难题，为木材断裂力学的研究奠定了基础，也填补国内外空白。

全文目录

摘要  4-6
摘要(英文)  6-9
目录  9-12
1 绪论  12-17
  1.1 木材断裂力学的发展现状  12-13
  1.2 数字散斑相关测量方法的应用  13-14
  1.3 目的和意义  14-15
  1.4 论文构成  15-17
2 木材正交各向异性及弹性常数的测量  17-23
  2.1 木材力学特性的一些基本假设  17-18
    2.1.1 木材的正交各向异性  17
    2.1.2 木材的线弹性  17-18
    2.1.3 木材的均匀连续性  18
  2.2 木材的弹性参数  18-23
3 木材断裂力学数值分析的基本理论  23-30
  3.1 线弹性断裂力学的研究对象  23
  3.2 Ⅰ型裂纹及其应力强度因子K_Ⅰ  23-25
  3.3 木材裂纹尖端应力场和位移场  25-27
  3.4 奇异单元原理  27-29
  3.5 小节  29-30
4 白桦试件裂纹尖端位移场、应力场、应变场的数值分析  30-94
  4.1 Ansys软件  30
  4.2 试件与尺寸  30-31
  4.3 二维模型有限元计算  31-45
    4.3.1 二维有限元模型  31-33
    4.3.2 有限元模型数据后处理  33-36
    4.3.3 网格细化和布置奇异单元两种方法得到的裂纹尖端位移、应变、应力场  36-40
    4.3.4 两种方法计算结果的比较  40-45
  4.4 三维模型有限元计算  45-79
    4.4.1 三维有限元模型  45-48
    4.4.2 网格细化方法三维有限元模型计算的z=0、3、6平面在裂纹尖端小矩形区域的三维位移、应变、应变场三维图  48-56
    4.4.3 z=0、3、6平面上裂纹尖端的直线AB、CD的计算结果比较  56-63
    4.4.4 布置奇异单元方法三维有限元模型计算结果  63-79
  4.5 三维有限元模型中奇异单元和网格细化两种方法比较  79-86
  4.6 二维和三维有限元模型计算结果分析  86-90
  4.7 小结  90-94
5 数字散斑相关方法及其测试  94-124
  5.1 数字散斑相关方法  94-102
    5.1.1 数字散斑相关的基本原理  94-95
    5.1.2 散斑图像的前处理和计算结果的后处理  95-98
    5.1.3 新的复杂等参单元位移模式  98-102
  5.2 4结点和8结点等参单元位移模式的精度分析  102-116
    5.2.1 数值模拟方法的原理  102-103
    5.2.2 用简单变形的数值模拟方法验证8结点和4结点等参单元位移模式的有效性  103-104
    5.2.3 复杂变形的数值模拟  104-116
  5.3 白桦试件三点弯曲实验  116-122
    5.3.1 白桦试件的制备  116
    5.3.2 制斑方法  116
    5.3.3 实验装置  116-117
    5.3.4 实验步骤  117-118
    5.3.5 数据处理  118-122
  5.4 小结  122-124
6 有限元计算与实验数据比较分析  124-136
7 总结  136-138
参考文献  138-145
成果目录清单  145-146
个人介绍  146-147
导师介绍  147-148
致谢  148

木材裂纹尖端区域应力场的数值分析和测试

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