生物质点阵结构材料的力学性能分析 科学出版社 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

本书是一部关于利用生物质材料设计、制备点阵结构，并分析其力学性能的专著。全书共9章，章主要介绍生物质工程材料、点阵结构及木质夹芯结构的主要研究现状；第2章至第5章主要介绍木质点阵夹芯结构的设计、制备、原材料力学性能分析、点阵结构力学性能分析及理论预测；第6章至第9章主要介绍菠萝叶纤维点阵圆筒结构的设计、制备及力学性能分析。

目录

1 绪论 1

1.1 新型生物质工程材料 3

1.2 点阵夹芯结构 4

1.3 点阵圆筒结构 5

1.4 木质夹芯结构 7

1.5 本书主要研究内容 9

2 木质基点阵夹芯结构的制备 10

2.1 试验材料 10

2.2 点阵夹芯结构的构型设计 11

2.2.1 直柱型点阵夹芯结构 11

2.2.2 倾斜型点阵夹芯结构 12

2.2.3 X 型点阵夹芯结构 12

2.3 单板层积材和木质基点阵夹芯结构的制备工艺 13

2.3.1 杨木单板层积材的制备 13

2.3.2 简单的插入-胶合方法制备点阵夹芯结构 13

2.3.3 X 型点阵夹芯结构三点弯曲（短梁剪切）试件 14

2.3.4 X 型点阵夹芯结构四点弯曲试件 16

2.3.5 增强的插入-胶合方法制备点阵夹芯结构 17

2.4 小结 17

3 木质基点阵夹芯结构性能的理论分析及检测方法 18

3.1 木质基点阵夹芯结构力学性能的理论分析 18

3.1.1 平压性能理论分析 18

3.1.2 剪切性能理论分析 22

3.1.3 三点弯曲（短梁剪切）性能理论分析 24

3.1.4 四点弯曲性能理论分析 28

3.1.5 侧压性能理论分析 28

3.2 试验材料力学性能的检测方法 29

3.2.1 桦木圆棒榫力学性能检测方法 29

3.2.2 胶黏剂胶接强度检测方法 29

3.2.3 木质复合材料力学性能检测方法 29

3.3 点阵夹芯结构力学性能的检测方法 32

3.3.1 平压性能检测方法 32

3.3.2 剪切性能检测方法 32

3.3.3 三点弯曲（短梁剪切）性能检测方法 33

3.3.4 四点弯曲性能检测方法 35

3.3.5 侧压性能检测方法 36

3.4 小结 37

4 木质原材料的力学性能分析 38

4.1 桦木圆棒榫的力学性能分析 38

4.2 定向刨花板的力学性能分析 40

4.3 单板层积材的力学性能分析 42

4.3.1 LVL1 力学性能分析 42

4.3.2 LVL2 力学性能分析 44

4.4 桦木锯材的力学性能分析 47

4.4.1 桦木锯材标准弯曲试件 47

4.4.2 桦木锯材点阵夹芯结构弯曲试件面板 50

4.5 钻孔对木质材料力学性能的影响 51

4.6 点阵结构弯曲试件面板的优选 57

4.7 小结 58

5 木质基点阵夹芯结构的力学性能分析 60

5.1 直柱型木质基点阵夹芯结构的力学性能分析 60

5.1.1 平压性能分析 60

5.1.2 剪切性能分析 64

5.1.3 弯曲性能分析 65

5.1.4 侧压性能分析 67

5.2 倾斜型木质基点阵夹芯结构的力学性能分析 69

5.2.1 平压性能分析 69

5.2.2 剪切性能分析 73

5.2.3 弯曲性能分析 73

5.2.4 侧压性能分析 76

5.3 X 型木质基点阵夹芯结构的力学性能分析 78

5.3.1 平压性能分析 78

5.3.2 剪切性能分析 84

5.3.3 弯曲性能分析 92

5.4 试验实测值与理论预测值的对比分析 99

5.4.1 平压性能对比分析 99

5.4.2 剪切性能对比分析 104

5.4.3 弯曲性能对比分析 106

5.4.4 侧压性能对比分析 112

5.5 小结 113

6 菠萝叶纤维点阵圆筒结构的制备及材料性能分析 115

6.1 菠萝叶纤维点阵圆筒结构的制备工艺 115

6.1.1 点阵圆筒结构的设计 115

6.1.2 木模的制备 115

6.1.3 硅橡胶模的制备 117

6.1.4 点阵圆筒结构的制备工艺 118

6.2 菠萝叶纤维增强复合材料的性能分析 119

6.2.1 菠萝叶纤维增强复合材料的制备 119

6.2.2 菠萝叶纤维增强复合材料的拉伸性能 120

6.2.3 菠萝叶纤维肋条的压缩性能 122

6.3 小结 123

7 菠萝叶纤维点阵圆筒结构的平压性能 124

7.1 菠萝叶纤维点阵圆筒结构的原材料与平压试验 124

7.1.1 试验材料 124

7.1.2 试验方法 124

7.1.3 结果与讨论 127

7.2 菠萝叶纤维点阵圆筒结构的参数研究 132

7.2.1 试验方法 132

7.2.2 结果与讨论 133

7.3 小结 135

8 构型与层数对菠萝叶纤维点阵圆筒结构平压性能的影响 137

8.1 胞元构型对菠萝叶纤维点阵圆筒结构平压性能的影响 137

8.1.1 不同构型点阵圆筒的制备 137

8.1.2 试验方法 138

8.1.3 结果与讨论 139

8.2 圆筒层数对菠萝叶纤维点阵圆筒结构平压性能的影响 144

8.2.1 不同层数点阵圆筒的制备 144

8.2.2 试验方法 145

8.2.3 结果与讨论 146

8.3 小结 151

9 菠萝叶纤维/玻璃纤维夹芯点阵圆筒结构的平压性能分析 152

9.1 菠萝叶纤维/玻璃纤维夹芯点阵圆筒结构的制备 152

9.1.1 菠萝叶纤维/玻璃纤维点阵圆筒结构的设计 152

9.1.2 设计理念 153

9.1.3 制备工艺 154

9.2 菠萝叶纤维/玻璃纤维夹芯点阵圆筒结构的平压测试 155

9.2.1 性能测试 155

9.2.2 结果与讨论 155

9.3 小结 159

参考文献 161

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    1 绪论

    四大建筑材料包括钢铁、水泥、木材、塑料，其中木材是专享的可再生资源，相比其他材料，木材具有较高的比强度和突出的隔热保温、吸音隔声及自然美观、质感舒爽等环境协调性能，这些特点使得木材及木制品在木结构建筑中得到了越来越广泛的应用[1， 2]。19 世纪以前，人们将木结构作为一种主要的建筑方式，忻州南禅寺、五台山佛光寺、蓟州独乐寺、佛宫寺释迦塔（俗称应县木塔）等都是历史比较久远的木结构建筑。之后随着新材料的出现，钢结构、混凝土结构的建筑占据了。近年来，木结构建筑由于无污染、符合可持续发展的理念，又重新进入了人们的视线。

    与世界各国相比，我国的森林资源存在一些不足，主要包括：资源少、覆盖率低；资源分布不均衡；用材林多、防护林少；森林质量不高[3]。靠前木材需求量逐渐增大，但可供使用的木材量有限，一些较好的实木材料生长周期比较长，供不应求，同时出于保护生态环境的要求，国家对天然林木材的砍伐。谭秀凤分析预测2010～2050 年，我国木材的需求增长速度为13%，供给增长速度为6%，供给增长速度远低于需求增长速度，到2050 年，供需缺口将达到6 亿m3[4]。为缓解木材短缺的状况，我国开始从国外进口木材[5]，2010 年，我国从北美洲进口原木397.15 万m3[6]。在这种情况下，寻找探索一些具有高性能、高附加值、多功能的新型生物质工程材料显得尤为重要[3]。一些新材料的发现是从仿生角度开始的，点阵结构的提出也和仿生有关。

    自然界中，木材、珊瑚、骨头等材料相对密度较低，且可以承受持续的载荷作用，这类材料的共同特点是材料内部有一定数量的孔洞，人们将这类材料称为多孔材料。多孔材料按照微结构可以分为无序材料与有序材料。无序材料主要为泡沫材料，包括开孔泡沫与闭孔泡沫；有序材料主要为点阵材料[7]。在过去的很多年间，金属泡沫材料由于其有较高的强度，引起了学者的极大重视[8]，然而金属泡沫、聚合物泡沫材料的变形是由孔壁局部弯曲引起的[8， 9]，且材料内的孔洞排列不规则，故其力学性能没有办法进行优化，因此人们开始关注点阵材料[10-17]。

    点阵结构的概念提出后，由于该结构的设计理念可以实现材料设计、结构设计和功能设计于一体[9， 18， 19]，受到了靠前外学者的广泛关注，被认为是极具发展前景的一类新型材料[9， 18-20]，主要应用于航空航天领域。点阵结构根据微结构的构造形式，可以分为二维点阵结构与三维点阵结构。二维点阵结构也被称为格栅结构[7]，如图1-1 所示；三维点阵结构主要是杆件或者板单元按照一定的顺序排列组合成的空间桁架结构[7]，如图1-2 所示。

    图1-1 二维点阵结构全三角形（a）与四边形（b）

    图1-2 三维点阵结构四面体（a）与Kagome 形（b）

    点阵结构根据母体材料的性质，可以分为金属点阵结构与复合材料点阵结构[7]。二维金属点阵结构的制备工艺主要为嵌锁工艺[21]与金属二维编织法[22]，三维金属点阵结构的制备工艺有熔模铸造法[23]、冲压折叠工艺[23]、金属丝编织工艺[24]、拉挤一体化工艺[25]。二维复合材料点阵结构的制备工艺有嵌锁工艺[26]、挤压成型工艺[27]、混杂模具法和缠绕工艺[28]，三维复合材料点阵结构的制备工艺有水切割工艺[17]、网架穿插编织工艺[29]和热压工艺[30]等。

    复合材料点阵结构的研究包括材料选择、制备工艺、结构设计、结构优化、拓扑构型、性能表征、动静态分析、模型预测、评价指标及其工程应用等方面[20]。吴林志等[20]总结了工程材料的材料强度与密度的关系，认为复合材料点阵结构的研究填补了工程材料的一些空缺，在低密度区域的平压强度方面性能尤为突出，随着制备工艺的完善及一些新型生物质材料的加入，复合材料的平压性能可以得到进一步的完善。复合材料点阵结构相比于其他材料来说，剪切强度优势不太明显，主要由于关于点阵结构的研究集中在平压强度方面，对于剪切强度的研究相对较少，同时制备工艺的局限性使得剪切性能方面的研究成果不太理想，有待进一步探索。

    1.1 新型生物质工程材料

    在现代木结构建筑中，作为承重结构材使用的木制品主要是原木、方木、结构用集成材（也称胶合木，glulam）、大截面单板层积材（laminated veneer lumber，LVL）及单板条定向层积材（parallel strand lumber，PSL）等。但这些木质工程材料的截面多是矩形且为实心结构。

    为了满足现代木结构建筑对圆形木柱的需求，出现了依据单板层积原理、模拟木材细胞壁S2 层的构造、应用螺旋缠绕法制备的新型工程材料——空心圆筒单板层积材，其构造模型图如图1-3 所示。山内秀文[31]采用柳杉与黑松单板作为试验原料，制备了圆筒LVL，通过研究发现，该结构在长轴方向的力学性能较为优越。魏延霞[32]采用杨木与桦木旋切单板，添加玻璃纤维作为增强材料，制备了复合型圆筒LVL，通过分析发现，该结构依然存在吸湿滞后特性，同时，玻璃纤维的加入可以提高圆筒LVL 的抗弯强度及尺寸稳定性。

    图1-3 圆筒单板层积材的构造模型图

    近年来，随着国家止采伐天然林举措的实施及人工林木材的开发利用，出现了不同截面形状的空心胶合木柱，一些典型的截面形状如图1-4 所示。空心结构可以节省木材，减轻结构自重，可提高结构自身的刚度及抗震性，同时可在空心部位进行功能设计。罗志华[33]用落叶松制备了胶合空心木柱，并用碳纤维布对其进行加固。陈银慧等[34]探索了胶合空心木柱的制备工艺，并对其截面形状进行了设计。

    图1-4 空心木柱的截面形状图

    点阵结构也是一种空心结构，现被广泛应用于复合材料领域，由于该结构具有轻质高强、空隙率大，容易埋藏小型器件或功能性材料的优势，也被应用到了木质工程材料领域[35， 36]。张利[37]采用木质材料设计制备了两种点阵结构，与集成材、工字梁（I-shape beam）进行分析对比，发现点阵结构的设计在比强度、比模量、阻尼性能、韧性方面优势更大，同时该结构自重小、成本低。Jin 等[38]采用插入-胶合法制备了木质基二维点阵夹芯结构，通过研究发现，木质基点阵夹芯结构有较好的能量吸收能力。Klimek 等[39]采用嵌锁工艺制备了Kagome 木质基夹芯结构，如图1-5 所示，芯子材料选用胶合板，面板材料为刨花板，通过分析结构的平压、侧压与弯曲性能，发现该结构在轻质方面具有一定的竞争性。

    图1-5 Kagome 木质基点阵夹芯结构

    通过上述分析可知，为满足现代木结构建筑的需求，一些新型生物质工程材料，如圆形木柱、空心结构逐渐进入了人们的视线，但这方面的研究还较少，故生物质材料空心结构的研究具有一定的必要性。

    1.2 点阵夹芯结构

    近年来，普林斯顿大学的Evans 等[40]、Chiras 等[41]、Wang 等[42]，剑桥大学的Deshpande 等[43]，麻省理工学院的Wallah 和Gibson[44]，哈佛大学的Wicks 和Hutchinson[45]等提出了空间点阵夹芯结构的概念。与现有空间网架结构相类似，空间点阵夹芯结构是由连接结点及结点间的杆件单元组成的，但点阵夹芯结构的尺寸要小得多。点阵夹芯结构具有空隙率大且相互联通的特点，易于埋置功能性材料和小型器件等，因此可实现储能、热控等多功能一体化。由于优异的比强度和比刚度及较大的相互连通空间，点阵夹芯结构被视为很有前景的新一代材料。很初，点阵夹芯结构是依据高强度的铝合金（如钛[46]和铝[47]）来设计与制备的。Wicks 和Hutchinson[48]基于指定的横向剪切与弯曲载荷来优化设计这种点阵夹芯结构。除此之外，这种点阵夹芯结构的动静态力学响应被靠前外多名学者所研究[49-55]。

    由于使用碳纤维复合材料制备的点阵夹芯结构具有轻质高强的特点，因此吸引了大批靠前外学者对其进行研究[56-64]。碳纤维点阵夹芯结构的主要制备工艺有两种，分别是预浸料热压法[56-60]和插入-胶合法[63， 64]。2011 年，Li 等[65]研究了碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构在端压时的结构响应，试验表明节点破坏是碳纤维金字塔点阵夹芯结构在端压时的主要失效模式。2012 年，Xiong 等[66]研究了碳纤维金字塔点阵夹芯结构的三点弯曲和纯剪切性能。2013 年，Manalo[67]研究了由玻璃纤维复合材料的面板和蜂窝状芯子材料制作成的纤维增强材料夹芯结构梁，在短梁弯曲（对称和非对称）模式下的剪切行为。2013 年，Fan 等[68]研究了不同面板厚度的点阵夹芯结构的弯曲性能和压缩行为。2013 年，Yan 等[69]研究了全金属波浪芯子夹芯结构的力学行为。2014 年，Wang 等[70]采用热压一体成型工艺制备了二维碳纤维增强复合材料夹芯结构。试验表明：在剪切和弯曲试验中，当面板出现分层现象时节点并未出现破坏；与传统的夹芯结构相比，面板的分层是夹芯结构很初的破坏形式，先于面板与芯子的剥离。Yin 等[71]研究了一种新型的混合点阵夹芯结构，他们将二阶点阵芯子材料用于制备碳纤维复合材料金字塔点阵夹芯结构。

    由于低密度碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能，可被用于制备超轻点阵夹芯结构，从而得到越来越多的关注。目前，碳纤维点阵夹芯结构的制备工艺主要有两种，即预浸料热压法和插入-胶合法。这些点阵夹芯结构由特殊金属或者碳纤维增强材料制备而成，被用于高速交通工程和航空航天工程，但在木结构领域，还没有报道运用木质复合材料来制备木质基点阵夹芯结构。

    1.3 点阵圆筒结构

    格栅结构的概念[72]提出后，其较高的结构设计性与潜在的功能优越性，吸引了人们的关注。格栅结构的几何形式可设计，相比于同等重量的结构，具有较好的力学性能；相比于蜂窝夹芯结构，具有较好的抗腐蚀性能；相比于传统的结构形式，具有较好的抗冲击性，肋条的裂缝不易传播，故该结构被广泛地应用在航空航天领域。杜善义等[73]指出，为进一步实现结构的轻质高强，可以根据结构的受力情况来设计增强体的取向。点阵圆筒结构属于格栅结构，其增强体的取向为轴向，其设计理念为承压结构。

    点阵圆筒结构根据Deshpande 等[9]提出的拓扑规则，可以分为拉伸型结构和弯曲型结构，图1-6 为一些常见的胞元构型。图1-6 中，六边形胞元（图1-6a）与四边形胞元（图1-6b）为弯曲型结构，其余均为拉伸型结构。拉伸型结构的杆件在受力过程中主要产生轴向变形，弯曲变形忽略不计，弯曲型结构的杆件在受力过程中主要产生弯曲变形。范华林等[74]通过比较弯曲型和拉伸型结构的模量与强度特征发现，在相同密度下，拉伸型结构的模量与强度远大于弯曲型结构，故拉伸型材料更加吸引人们的关注。

    图1-6 常见的胞元构型

    制备点阵圆筒结构的关键是制备点阵肋条，缠绕法[16， 75， 76]是很常用的一种制备工艺。缠绕法分为两类：自由缠绕与凹槽缠绕。自由缠绕制备的点阵肋条横截面形状不固定，杆件的质量较差，制备的点阵结构含有自由缺陷；凹槽缠绕在模具辅助的作用下，点阵肋条的截面形状容易控制，故该种制备方法被广泛应用于航空航天领域。常见的模具材料包括金属[16]、硬质聚氨酯泡沫塑料、石膏和硅橡胶等[77]。Chen 等[75]采用金属模具设计制备了Kagome 点阵夹芯圆筒结构，为方便脱模，通常分为多个模具块。Buragohain 和Velmurugan[77]采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为模具材料制备点阵圆筒结构，如图1-7 所示。张昌天[78]采用硅橡胶作为模具材料，如图1-8 所示。

    点阵圆筒结构的力学性能研究集中在平压试验、理论分析与有限元分析方面。Kim[16]制备了碳纤维等网格加筋点阵圆筒，通过轴向力学测试，发现该结构的主

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