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生物質基點陣夾芯結構的力學響應和優(yōu)化設計 版權信息
- ISBN：9787030733504
- 條形碼：9787030733504 ; 978-7-03-073350-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
生物質基點陣夾芯結構的力學響應和優(yōu)化設計 本書特色
生物質資源的有效利用，對大力發(fā)展低碳、環(huán)保的結構與建筑具有重要意義。
生物質基點陣夾芯結構的力學響應和優(yōu)化設計 內容簡介
本書分為三部分，**部分為第1、2章，介紹生物質基點陣夾芯結構的研究背景、應用現(xiàn)狀及制備方法；第二部分為第3～5章，介紹木質基點陣夾芯結構力學響應的理論分析及檢測方法、力學性能分析和有限元仿真研究；第三部分為第6、7章，介紹以黃麻纖維增強環(huán)氧樹脂基為材料制備的菱形和格柵點陣夾芯結構，并對其平壓性能進行分析和優(yōu)化設計。 本書可供木材科學與工程、木結構工程、土木建筑等領域的工程技術人員使用，也可供高等院校相關專業(yè)師生參考。
生物質基點陣夾芯結構的力學響應和優(yōu)化設計 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 生物質基點陣夾芯結構的研究背景 1
1.1.1 點陣夾芯結構的構型設計 1
1.1.2 點陣夾芯結構的研究進展 3
1.2 生物質基工程材料的研究與應用 5
1.2.1 木質工程材料 5
1.2.2 黃麻纖維增強高分子聚合物 6
1.3 生物質基點陣夾芯結構的研究進展 8
第2章 生物質基點陣夾芯結構的制備 12
2.1 試驗材料 12
2.2 材料屬性的測試方法 12
2.2.1 樺木圓棒榫壓縮性能測試 12
2.2.2 纖維增強材料SEM 測試標準 12
2.2.3 纖維增強材料FITR 測試標準 12
2.3 材料屬性分析 13
2.3.1 木質材料 13
2.3.2 膠黏劑 14
2.3.3 碳纖維布增強材料 14
2.4 生物質基點陣夾芯結構的制備方法 14
2.4.1 插入-膠合法 14
2.4.2 模具壓制法 17
2.4.3 纏繞編織法 23
2.4.4 3D打印法 23
第3章 生物質基點陣夾芯結構力學響應的理論分析及檢測方法 25
3.1 點陣夾芯結構力學響應的理論分析 25
3.1.1 平壓性能理論分析 25
3.1.2 彎曲性能理論分析 28
3.1.3 側壓性能理論分析 31
3.2 點陣夾芯結構力學性能的檢測方法 32
3.2.1 平壓性能檢測方法 32
3.2.2 彎曲性能檢測方法 33
3.2.3 側壓性能檢測方法 34
3.2.4 沖擊性能檢測方法 35
第4章 木質基點陣夾芯結構的力學響應 37
4.1 金字塔型點陣夾芯結構的力學性能 37
4.1.1 芯層構型設計 37
4.1.2 面板設計 38
4.1.3 平壓性能分析 39
4.1.4 彎曲性能分析 43
4.2 改進金字塔型點陣夾芯結構的力學性能 48
4.2.1 芯層構型設計 48
4.2.2 平壓性能分析 50
4.2.3 彎曲性能分析 57
4.2.4 側壓性能分析 62
4.2.5 沖擊性能分析 64
4.3 混合金字塔型點陣夾芯結構的力學性能 67
4.3.1 芯層構型設計 67
4.3.2 平壓性能分析 69
4.4 雙層點陣夾芯結構的力學性能 75
4.4.1 芯層構型設計 75
4.4.2 平壓性能分析 76
4.4.3 平壓吸能特性分析 80
4.4.4 彎曲性能分析 81
4.5 木質基點陣夾芯結構平壓承載性能對比 83
第5章 木質基點陣夾芯結構的有限元仿真研究 84
5.1 有限元仿真的基本方法 84
5.2 金字塔型結構平壓力學性能仿真模型 84
5.2.1 仿真模型的建立 84
5.2.2 仿真試驗結果 85
5.3 改進金字塔型結構平壓力學性能仿真模型 87
5.4 改進金字塔型結構側壓力學性能仿真模型 89
5.5 混合金字塔型結構平壓力學性能仿真模型 91
5.6 雙層點陣夾芯結構平壓力學性能仿真模型 93
第6章 黃麻纖維束增強環(huán)氧樹脂基菱形點陣夾芯結構平壓力學性能研究 96
6.1 菱形點陣夾芯結構設計 96
6.2 菱形點陣夾芯結構平壓力學性能 97
6.2.1 理論分析 97
6.2.2 結果與分析 100
6.2.3 相對密度對平壓性能的影響 106
6.2.4 縱橫比對平壓性能的影響 109
6.3 邊界效應的研究 112
6.3.1 胞元大小的設計 112
6.3.2 失效行為的對比 113
6.3.3 單胞大小對平壓性能的影響 114
6.3.4 理論公式的驗證 114
6.4 菱形點陣夾芯結構優(yōu)化設計 115
6.4.1 構型優(yōu)化設計 115
6.4.2 理論推導 117
6.4.3 失效行為的比較 118
6.4.4 平壓性能的增強 119
第7章 黃麻纖維布增強環(huán)氧樹脂基格柵點陣夾芯結構平壓力學性能研究 121
7.1 格柵點陣夾芯結構設計 121
7.2 格柵點陣夾芯結構平壓力學性能 123
7.2.1 理論分析 123
7.2.2 結果與分析 124
7.2.3 纖維取向對平壓性能影響 126
7.2.4 相對密度對平壓性能的影響 129
7.3 平壓理論模型的驗證與優(yōu)化 134
7.3.1 平壓理論模型的驗證 134
7.3.2 單胞高度對平壓性能的影響 135
7.3.3 單胞數(shù)量對平壓性能的影響 138
7.3.4 理論公式的優(yōu)化 140
參考文獻 141
第1章 緒論 1
1.1 生物質基點陣夾芯結構的研究背景 1
1.1.1 點陣夾芯結構的構型設計 1
1.1.2 點陣夾芯結構的研究進展 3
1.2 生物質基工程材料的研究與應用 5
1.2.1 木質工程材料 5
1.2.2 黃麻纖維增強高分子聚合物 6
1.3 生物質基點陣夾芯結構的研究進展 8
第2章 生物質基點陣夾芯結構的制備 12
2.1 試驗材料 12
2.2 材料屬性的測試方法 12
2.2.1 樺木圓棒榫壓縮性能測試 12
2.2.2 纖維增強材料SEM 測試標準 12
2.2.3 纖維增強材料FITR 測試標準 12
2.3 材料屬性分析 13
2.3.1 木質材料 13
2.3.2 膠黏劑 14
2.3.3 碳纖維布增強材料 14
2.4 生物質基點陣夾芯結構的制備方法 14
2.4.1 插入-膠合法 14
2.4.2 模具壓制法 17
2.4.3 纏繞編織法 23
2.4.4 3D打印法 23
第3章 生物質基點陣夾芯結構力學響應的理論分析及檢測方法 25
3.1 點陣夾芯結構力學響應的理論分析 25
3.1.1 平壓性能理論分析 25
3.1.2 彎曲性能理論分析 28
3.1.3 側壓性能理論分析 31
3.2 點陣夾芯結構力學性能的檢測方法 32
3.2.1 平壓性能檢測方法 32
3.2.2 彎曲性能檢測方法 33
3.2.3 側壓性能檢測方法 34
3.2.4 沖擊性能檢測方法 35
第4章 木質基點陣夾芯結構的力學響應 37
4.1 金字塔型點陣夾芯結構的力學性能 37
4.1.1 芯層構型設計 37
4.1.2 面板設計 38
4.1.3 平壓性能分析 39
4.1.4 彎曲性能分析 43
4.2 改進金字塔型點陣夾芯結構的力學性能 48
4.2.1 芯層構型設計 48
4.2.2 平壓性能分析 50
4.2.3 彎曲性能分析 57
4.2.4 側壓性能分析 62
4.2.5 沖擊性能分析 64
4.3 混合金字塔型點陣夾芯結構的力學性能 67
4.3.1 芯層構型設計 67
4.3.2 平壓性能分析 69
4.4 雙層點陣夾芯結構的力學性能 75
4.4.1 芯層構型設計 75
4.4.2 平壓性能分析 76
4.4.3 平壓吸能特性分析 80
4.4.4 彎曲性能分析 81
4.5 木質基點陣夾芯結構平壓承載性能對比 83
第5章 木質基點陣夾芯結構的有限元仿真研究 84
5.1 有限元仿真的基本方法 84
5.2 金字塔型結構平壓力學性能仿真模型 84
5.2.1 仿真模型的建立 84
5.2.2 仿真試驗結果 85
5.3 改進金字塔型結構平壓力學性能仿真模型 87
5.4 改進金字塔型結構側壓力學性能仿真模型 89
5.5 混合金字塔型結構平壓力學性能仿真模型 91
5.6 雙層點陣夾芯結構平壓力學性能仿真模型 93
第6章 黃麻纖維束增強環(huán)氧樹脂基菱形點陣夾芯結構平壓力學性能研究 96
6.1 菱形點陣夾芯結構設計 96
6.2 菱形點陣夾芯結構平壓力學性能 97
6.2.1 理論分析 97
6.2.2 結果與分析 100
6.2.3 相對密度對平壓性能的影響 106
6.2.4 縱橫比對平壓性能的影響 109
6.3 邊界效應的研究 112
6.3.1 胞元大小的設計 112
6.3.2 失效行為的對比 113
6.3.3 單胞大小對平壓性能的影響 114
6.3.4 理論公式的驗證 114
6.4 菱形點陣夾芯結構優(yōu)化設計 115
6.4.1 構型優(yōu)化設計 115
6.4.2 理論推導 117
6.4.3 失效行為的比較 118
6.4.4 平壓性能的增強 119
第7章 黃麻纖維布增強環(huán)氧樹脂基格柵點陣夾芯結構平壓力學性能研究 121
7.1 格柵點陣夾芯結構設計 121
7.2 格柵點陣夾芯結構平壓力學性能 123
7.2.1 理論分析 123
7.2.2 結果與分析 124
7.2.3 纖維取向對平壓性能影響 126
7.2.4 相對密度對平壓性能的影響 129
7.3 平壓理論模型的驗證與優(yōu)化 134
7.3.1 平壓理論模型的驗證 134
7.3.2 單胞高度對平壓性能的影響 135
7.3.3 單胞數(shù)量對平壓性能的影響 138
7.3.4 理論公式的優(yōu)化 140
參考文獻 141
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生物質基點陣夾芯結構的力學響應和優(yōu)化設計 節(jié)選
第1章緒論 點陣夾芯結構與其他傳統(tǒng)夾層結構相比，集材料設計、結構設計與功能設計于一體，具有輕質、高強的特性，以金屬和碳纖維等復合材料制備的點陣夾芯結構廣泛應用于航空航天、國防軍事、交通運輸?shù)阮I域。但這類材料的獲取需要高昂的成本，且不具備綠色、低碳、可降解等優(yōu)勢。木材、竹材、灌木、農作物秸桿等是天然的生物質資源，且蓄積量大、分布廣泛、價格低廉。應用先進的復合材料結構設計理論，制備輕質、高強的生物質基點陣夾芯結構工程材料，對于生物質資源的有效利用，以及大力發(fā)展低碳、環(huán)保的結構與建筑具有重要意義。 1.1生物質基點陣夾芯結構的研究背景 隨著航空航天領域的快速發(fā)展，越來越多的學者將目光聚集在輕質、高強材料的研究上。點陣結構的概念自20世紀被提出以來，便作為輕質、高強材料的代表，受到國內外眾多學者的關注。點陣結構主要由上、下面板和面板間有序周期性排列的桿件組成（Evans et al.，2001；Deshpande et al.，2001）。相比于傳統(tǒng)的泡沫材料，點陣結構在空間上的排列更為規(guī)則有序，具有輕質、高強、芯層內部空間功能性設計等優(yōu)勢，是目前國際上公認的*具應用前景的輕質、強韌性材料（Sypeck，2005；Fan et al.，2010）。點陣結構芯層內部的大空間設計特性可以進行隔音、隔熱、抗震等材料的填充，使結構在多種維度上發(fā)揮作用。點陣結構首先在航空航天領域提出并得以應用，由于可以有效減輕自重，在交通運輸、土木工程建筑與結構中，點陣結構也具有廣闊的應用前景（曾嵩等，2012；吳林志等，2012；范華林和楊衛(wèi)，2007）。 1.1.1點陣夾芯結構的構型設計 點陣夾芯結構的設計主要集中在構型設計和尺寸設計上。合適的構型設計在增強結構力學性能的同時，還能夠大大減少材料的浪費（Ashby and Brechet，2003；Evansetal.，2001）。目前，點陣結構的構型從空間角度可分為一維線型、二維平面型、三維立體型，在具體的形狀上有直柱型（王兵，2009）、斜柱型（Lietal.，2020）、X型（Wang et al.，2018）、Kagome型（Fan et al.，2007）、金字塔型（Li et al.，2011）、圓柱型（Haoetal.，2017）等諸多類別，如圖1-1所示。 除常規(guī)的構型設計外，研究者往往會根據(jù)具體的功能需求，在已有構型的基礎上進行一些改動，如圖1-2所示。Wang等（2018）設計的增強X型點陣結構，便是在原有X型點陣結構的基礎上對其節(jié)點部位進行增強，使結構在壓縮性能的表現(xiàn)上提高了將近13%；再如，相較于傳統(tǒng)的金字塔型，F(xiàn)eng等（2016）通過焊接工藝將兩個金字塔點陣結構頂端上下焊接成型的沙漏型點陣結構，其在平壓下，抗屈曲性能約為前者的2倍。此外，點陣結構的設計者根據(jù)復合材料的設計理念制備了層級點陣結構（Sun et al.，2016；Yin et al.，2014；Yin et al.，2013；Xiong et al.，2012；Zheng et al.，2012），這些層級點陣結構相較于單一的點陣結構往往在力學性能上都有很大的提升。例如，Sun等（2016）設計的層級三角形點陣結構，是在原有三角形單胞的基礎上，對其桿件進行二次的三角形單胞設計，相較于單一的三角形格柵，其平壓性能提升了3/4。同樣，在Yin等（2013）所設計的復合型層級金字塔型點陣結構中，也體現(xiàn)了這種設計理念。 1.1.2點陣夾芯結構的研究進展 1.金屬材料點陣夾芯結構 點陣結構的研究從原材料的角度可以分為三個階段，如圖1-3所示。原材料的選取*開始集中在金屬材料（Feng et al.，2017；Wadley，2006；Kooistraetal.，etal.，2004；Wang，2003），原因主要在于：金屬材料本身具有足夠的力學性能，且有關金屬材料成型結構的工藝在工業(yè)領域已趨近成熟，技術手段繁多。例如，C6t6等（2006）進行的波紋菱形點陣結構的彎曲和壓縮試驗，其主要材料便選取304不銹鋼；Zupan等（2004）使用316不銹鋼作為原材料進行編制纏繞設計成型了菱形拓撲結構，并對結構在平壓下的性能進行了詳盡的分析與探討；Queheillalt和Wadley（2005）通過模具工藝將原材料為304不銹鋼的空心管排列焊接成型了菱形拓撲結構，并進行了詳細的理論分析和參數(shù)設計探討。但隨著相關領域研究的日益成熟，金屬材料本身所具備較高自重的特點及其在工藝上無法實現(xiàn)面板與芯層間完美結合的缺陷已無法滿足工藝發(fā)展的要求（Wadley et al.，2003）。 2.復合材料點陣夾芯結構 隨著復合材料領域研究的深入，其可設計性大大吸引了點陣結構領域研究者的目光。將復合材料應用到點陣結構的制備中，既拓寬了點陣結構原材料的選取范圍，同時，由于原材料變化所帶來的成型工藝的改變，又能夠較好地解決傳統(tǒng)金屬基點陣結構在成型工藝上的缺陷。在此階段，國內哈爾濱工業(yè)大學吳林志教授課題組（王東煒，2020；許國棟，2017；張國旗，2014；熊健，2013；王兵，2009）以及南京航空航天大學范華林教授課題組（Jiang et al.，2017；Han et al.，2015；Lai et al.，2015）在碳纖維等復合材料點陣結構成型工藝及結構性能的探索上做出了卓越的貢獻。例如，吳林志教授課題組的殷莎率先利用模具熱壓工藝制備了碳纖維復合空心金字塔型點陣結構，很好地解決了面芯結合薄弱的問題，同時使結構整體在能量吸收、比強度、比剛度等性能指標上都有很大的提升（殷莎，2013）。范華林教授課題組的Li和Fan（2018）利用二次模壓固化工藝成型的碳纖維復合材料加筋圓筒殼在承受軸向壓縮載荷下也有不俗的表現(xiàn)。 3.生物質基點陣夾芯結構 人類社會的飛速發(fā)展對地球的自然生態(tài)環(huán)境造成了不可逆轉的影響，也使得人們認識到工業(yè)生產與自然環(huán)境相協(xié)調的重要性！堵(lián)合國氣候變化框架公約》《巴黎協(xié)定》等國際公約的制定（陳夏娟，2020；陳敏鵬2020），推進了全球保護生態(tài)環(huán)境、節(jié)能減排的戰(zhàn)略方針。國內外專家學者也把研究目光投向了生物質可再生資源（Fiore et al.，2017；Hassanin et al.，2016；黃國紅和諶凡更，2015；方海等，2009）。生物質資源本身具有綠色、環(huán)保、價格低廉、可再生等優(yōu)勢，因此，拓寬生物質資源應用范圍，進行生物質基復合工程材料的研究與應用具有重要的社會意義和應用價值（Jiang et al.，2018；Li et al.，2016；何敏娟等，2008）。其中，采用生物質材料制備的點陣夾芯結構受到人們的關注。 本書從生物質基復合工程材料設計的角度出發(fā)，結合點陣結構的設計理念，分析了生物質基（木質材料和黃麻纖維增強環(huán)氧樹脂）點陣夾芯結構的制備方法，并對其力學性能進行理論、試驗與仿真建模研究。 1.2生物質基工程材料的研究與應用 生物質材料是一種天然聚合物，主要由碳、氫、氧三種化學元素組成，來源于動植物及微生物等生命體。生物質材料易被自然界的微生物降解為水、二氧化碳和其他小分子，其降解產物可以再次進入自然界循環(huán)。因此，生物質材料具備可再生與可生物降解的重要特征。常見的生物質材料主要有木材、稻稈、竹材、樹皮、纖維素、半纖維素、木質素、淀粉、蛋白質、甲殼素等（邸明偉和高振華，2010）。 1.2.1木質工程材料 木質資源儲蓄量大、價格低廉，同時具有較高的比強度、突出的隔熱吸音作用、良好的抗震性能、自然美觀的紋理等優(yōu)點（Jiang et al.，2018；Li et al.，2016；徐守樂，2004；李堅，2001），是與人類關系密切、與環(huán)境發(fā)展協(xié)調的建筑和結構材料。研究表明，相同面積的建筑結構，木結構消耗的能量約為混凝土建筑的45%、鋼結構建筑的65%、木結構的二氧化碳排放量約為混凝土的66%、鋼結構的81%（何敏娟等，2008）。從古至今，人們都在不斷發(fā)掘木材在建筑與結構上的應用。 木質工程材料是指應用現(xiàn)代加工技術將木質資源制備成力學性能可設計、可預測、可評價的結構用材料（王靜，2012），其應用廣泛，包含的名稱和種類也很多。從原木結構到力學性能穩(wěn)定、承載能力強的單板層積材與結構用集成材（陳劍平和張建輝，2012；張言海，2001），從節(jié)能實用的輕型木桁架（陸磊，2016）、木工字梁等到芯層可設計的木質夾芯結構（任雪瑩，2020；Iejavs and Spulle，2016），無不體現(xiàn)著木結構時代的飛速發(fā)展與工業(yè)生產力的進步。幾種常見木質工程材料特性對比如表1-1所示。 其中，集成材、膠合材、木桁架等結構都具有承載力較大、剛度均勻可靠、重量輕等優(yōu)點，在一定程度上避免了木材本身的天然缺陷，拓寬了木材的應用范圍，提高了木材的使用效率，是國際上建筑模板體系中通用的重要部件，但存在材料自重大、制備過程復雜、成本高等缺點，在一些要求結構材料功能多、強度高、自重輕的應用場合，無法與其他鋼材、復合材料等競爭（Jin et al.，2015）。 木質資源的自然屬性，如生長周期長、各向異性、天然的節(jié)疤等，不利于人們對木質材料的充分利用。夾芯結構由于面板相對較薄，降低了對木材厚度的要求，可充分利用小徑材、速生材等木質資源，在民用建筑與結構中發(fā)揮著重要作用。夾芯結構的芯層作用是降低結構質量，增加上、下面板間的截面慣性矩，從而提高結構的彎曲剛度。面板粘接在芯層外表面，實現(xiàn)載荷在面板與芯層之間的傳遞。面板承受拉壓變形，芯層抵抗面內彎曲和橫向剪切變形（王雪，2020）。 夾芯結構的面板與芯層的材料屬性對結構的力學性能有很大影響，采用夾芯結構設計，在減輕結構質量的同時，部分力學性能比實體結構更優(yōu)異（Sargianis et al.，2013；Manalo et al.，2010）。夾芯結構的面板有實木板、膠合板、密度板等；也有用增強材料制備而成的。木質夾芯結構的芯層多采用蜂窩結構、格柵結構、泡沫材料或輕質的木質板材（Li et al.，2016；Chen et al.，2014；Fernandez-Cabo et al.，2011；Kepler，2011）。這些結構設計雖然能降低自重，但也存在一些弊端，如泡沫結構是以彎曲為主導的材料，受到外力作用時，其彎曲強度較低（Rizov et al.，2005；Li et al.，2014）。常見的蜂窩夾芯結構具有比強度、比剛度高的特點，但內部空間封閉，不利于結構的多功能性設計（Pan et al.，2008）。因此，進行新形式的木質夾芯結構設計具有重要實際意義和應用價值。 1.2.2黃麻纖維增強高分子聚合物 我國農作物資源豐富，棉、麻等草本植物分布廣、產量大。黃麻的生長主要集中在亞熱帶到熱帶區(qū)域，來源廣泛、原料豐富，種植面積和產量僅次于棉花。黃麻纖維取材方便，價格低廉，早在我國古代，就作為麻袋的主要原料，制作粗加工產品。隨著現(xiàn)代紡織技術的飛速發(fā)展，對黃麻纖維進行各種改性處理，能夠制得不同功能的黃麻纖維。黃麻與其他麻類物質一樣，屬于韌皮纖維素纖維，具有染色性好、抑菌、力學性能好、廉價、可生物降解等優(yōu)異特性（張小英，2004）。但黃麻纖維中的木質素和雜質含量相對較高，可紡性差，通常用于制作裝飾用布、工作服、汽車用布、鞋類用布以及地毯等用品（郭亞和孫曉婷，2016）。黃麻纖維自身往往不具備直接設計成型的潛力，常常是將其作為增強體材料，對一些高分子聚合物基體進行增強來達到實際應用的要求。 例如，在汽車制造領域，周勇等（2016）以黃麻纖維、皮芯結構的4080聚酯
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