【摘 要】
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木材的本构模型是进行木结构力学响应分析的重要基础。传统木结构不仅承受着静荷载的作用,同时不可避免地遭受着如地震作用的影响。木材为率敏感性材料,在动载作用下,其力学响应与静载之间存在着不可忽略的差异。因此,进行木材动力性能研究是一项十分重要且具有实际意义的工作。结合木材在地震作用下处于低应变率范围(10-3s-110-1s-1),本文的主要研究工作及结论如下:(1)分别以应变率10-4s-1、10-
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木材的本构模型是进行木结构力学响应分析的重要基础。传统木结构不仅承受着静荷载的作用,同时不可避免地遭受着如地震作用的影响。木材为率敏感性材料,在动载作用下,其力学响应与静载之间存在着不可忽略的差异。因此,进行木材动力性能研究是一项十分重要且具有实际意义的工作。结合木材在地震作用下处于低应变率范围(10-3s-110-1s-1),本文的主要研究工作及结论如下:(1)分别以应变率10-4s-1、10-3s-1、10-2s-1和10-1s-1对云杉、落叶松和樟子松三种木材进行了顺纹单轴受压加载及循环加卸载试验,对落叶松和樟子松进行了横纹单轴受压加载及循环加卸载试验,获得了不同加载速率下单调受压应力-应变曲线、循环加卸载应力-应变曲线,并分析了不同加载速率下应力-应变曲线、弹性模量、强度、峰值应变、屈服应力及吸能能力等的演化规律以及循环加卸载作用下的加卸载模量等力学性能。研究结果表明:木材顺纹及横纹力学性能均具有一定的率敏感特性。(2)基于木材的率敏感特点及非线性行为,综合考虑了顺纹及横纹单轴受压加载及循环加卸载力学行为,首先为木材建立了一个唯象非线性率本构模型,该模型能够同时反映木材顺纹及横纹的单轴受压加载和循环加卸载力学行为,并能够模拟木材的率敏感特性。在此之上,基于二维平面应力问题推导了所建本构模型的有限元格式,并结合ABAQUS/Standard求解器中的材料子程序接口(User-defined Material Mechanical Behavior,UMAT)开发了相应的木材子程序。(3)基于粘塑性统一本构理论,将广泛应用于金属领域的Bodner-Partom模型引入到木材动力分析中,并确定了模型参数。该模型不需要屈服面的概念,能够同时反映木材的率敏感特性以及循环加卸载力学行为。基于此,以三维问题作为分析对象,导出了Bodner-Partom模型的有限元格式,最后结合ABAQUS/Explicit中的材料子程序接口(Vectorized User-Material Subroutine,VUMAT)开发了相应的木材子程序。(4)以落叶松力学性能作为典型代表,结合试验结果验证了两套子程序的有效性。结果表明:所开发的两套木材子程序均能够反映木材的率敏感特性。并利用所开发的VUMAT材料子程序简单分析了木柱动态受压的力学响应。
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