重组竹准静态和动态力学性能及破坏机理研究

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重组竹是一种新型的竹纤维增强复合材料,基本组成为竹纤维束、基体组织和树脂胶体,由原竹经截断、剖分、去皮、疏解、干燥、碳化、浸胶、铺装和热压等工序制作而成。重组竹较原竹密度更加均一、外形规则、力学性能优良,目前被广泛应用于户内外地板、装饰装修、景观护栏、家具等领域。重组竹在室外领域拥有广阔的应用前景,然而对其准静态力学性能、动态力学性能以及构件层次的冲击力学性能还缺乏系统的研究,因此有必要对此进行探究和总结。本文采用工厂生产的商用重组竹产品,对其基本的密度、含水率进行了测量,并探究了重组竹在材料层次的准静态力学性能、动态力学性能和构件层次的冲击力学性能及相关的破坏模式、破坏机理和吸能情况,得到如下结论:(1)重组竹是一种近正交各向异性的纤维增强复合材料,其顺纹方向的抗拉、抗压力学性能远大于其它两个方向,而另外两个方向的抗压能力较为接近;抗剪能力以横纹最佳,顺纹抗弯性能优异。总结了重组竹拉伸和压缩的唯象本构模型,得出了拉伸、压缩、剪切和弯曲的力学性能。(2)重组竹的拉伸过程发生弹性变形,破坏类型为脆性断裂;而压缩过程可以分为弹性变形、非线性强化和线性强化三个阶段,破坏类型属于延性破坏。所有破坏类型在细观层次的原因可分为由纤维断裂、基体破坏和纤维/基体界面脱粘引起。(3)重组竹在动态加载中表现出明显的应变率效应,在不同方向不同应变率下的压缩和拉伸试验中,均表现出极限强度随着应变率增大而增大的现象,相应的应变比能也随着应变率的增大而增大。其中动态压缩的应变率效应的微观机理可解释为局部化、微惯性和致密化。(4)重组竹板构件受到不同形状锤头冲击表现出不同的抗冲击性能,其中对圆柱型锤头的冲击韧性最大;且随着冲击能量的不断增大,其峰值荷载、峰值位移、冲击韧性均在增大。而冲击破坏类型显示入射面破坏程度大于出射面,细观层次可解释为纤维的拉断、基体的剪断和界面的脱粘等,吸能机制分为变形吸能和破坏吸能两部分。
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