CN113707243A - 一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法 - Google Patents
一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113707243A CN113707243A CN202111019646.0A CN202111019646A CN113707243A CN 113707243 A CN113707243 A CN 113707243A CN 202111019646 A CN202111019646 A CN 202111019646A CN 113707243 A CN113707243 A CN 113707243A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wood
- creep
- cell wall
- steel
- random
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000002023 wood Substances 0.000 title claims abstract description 178
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 claims abstract description 56
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 47
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims abstract description 47
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000000329 molecular dynamics simulation Methods 0.000 claims abstract description 20
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 20
- 230000009471 action Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 27
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 5
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 4
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 claims description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 3
- 239000012798 spherical particle Substances 0.000 claims description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 claims 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 3
- 235000008331 Pinus X rigitaeda Nutrition 0.000 description 14
- 235000011613 Pinus brutia Nutrition 0.000 description 14
- 241000018646 Pinus brutia Species 0.000 description 14
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 239000011120 plywood Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 108700005457 microfibrillar Proteins 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229920005615 natural polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007306 turnover Effects 0.000 description 1
- 238000004017 vitrification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
-
- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
- G16C10/00—Computational theoretical chemistry, i.e. ICT specially adapted for theoretical aspects of quantum chemistry, molecular mechanics, molecular dynamics or the like
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Abstract
本发明提供一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法、装置和介质，包括：设置木材细胞壁纤维素聚合物微观仿真参数；建立多场耦合作用下纤维素聚合物的运动方程，构建大规模分子动力学仿真模块；进行木材细胞壁分子微观结构演化模拟并得到具有随机特性的木材细胞壁蠕变曲线；根据微观仿真结果，得到具有随机特性的木材宏观蠕变柔量曲线；建立包含随机特性的Kelvin‑Voigt蠕变模型，利用最小二乘拟合准则识别Kelvin‑Voigt模型中的参数，并标定它们的变异性；根据蠕变模型得到钢木元件的蠕变柔量和时间的关系，并评估其耐久性。本发明从木材蠕变产生的微观机理出发，便于根据建筑结构所处的气象环境，更快速准确评估木材蠕变对其构件的耐久性。
Description
技术领域
本发明涉及工程技术与材料科学技术领域，具体地，涉及一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法。
背景技术
传统的混凝土现浇施工模式，拼装和搭建工作量大，与现在高周转发展不匹配。新型的钢木混合结构，安拆灵活方便，从根本上节省了人力和资源。作为绿色结构的重要组成部分，以钢木混合结构为代表的新型复合建筑近年来得到了广泛的应用与研究。钢木结构的重要元素木材作为一种非均质的、各向异性的天然高分子材料，其力学性质和其它均质材料(如钢或素混凝土)有着明显的差异：木材表现出明显的随时间变化的变形，此称为蠕变现象。随着时间增加，木材蠕变变大，最终会导致结构失效。与钢结构不同，新型钢木结构由于木材本身的蠕变特性，在相同静载的作用下，其连接结构往往更容易发生蠕变或松弛，导致连接件松动乃至脱落,从而使连接结构过早地失效,进而使结构发生破坏。故此，木材的蠕变已经是影响钢木结构耐久性的主要原因之一。
目前，以经典理论模型和经验公式为代表的木材蠕变理论，解释了一些客观现象，在一定程度上预测了木材构件在某一荷载水平下的长期变形。而有限元数值模拟的引入，使模拟更复杂环境下的蠕变演化过程成为可能。但是它们都有相同的局限：他们从宏观尺度出发把木材假设为连续体，并通过试验分析的现象学方法，得到指定的木材蠕变特征。仔细分析可知，宏观尺度方法往往基于理想假定、依赖于实验数据，不能有效地反映木材的时间依赖性行为(蠕变)的微观物理本质，缺乏对木材蠕变的起源揭示。故而，不能为研究蠕变对结构耐久性的影响提供深入的认识。并且，这些方法基于试验分析，耗时长、花费大，只针对于特定木材，经济效益不高。
木材的蠕变受含水率、温度和受力时间影响并与其微观结构息息相关。无论是含水率增大或是温度增加亦或是受力时间延长，木构件的蠕变量都会增大，甚至最后会发生整个结构的破坏。研究表明蠕变随着木材细胞壁纤维次生壁的微纤丝角的增大而增加。与结晶区串联排列的无定形纤维素区的增大也会引起细胞壁粘性变形的增大。
建筑结构长期承受静载荷，特别是炎热多雨的南方常处在高温、高湿的环境条件下，其气象环境复杂，快速准确地预测木构件可能产生的蠕变，预先评估其对建筑结构的影响以确保结构可靠尤为重要。
因此，急需一种满足要求的钢木元件木材蠕变耐久性评估的方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，突破了依赖于试验分析的传统现象学标定方法。
本发明的一个方面，提供一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，包括：
S1，根据评估对象设置木材细胞壁纤维素聚合物分子动力学仿真的参数；
S2，根据多场耦合作用下纤维素聚合物的运动方程，构建大规模分子动力学仿真模块；
S3，根据S1所得的分子动力学仿真参数，采用S2的大规模分子动力学仿真模块模拟木材细胞壁分子微观结构演化，根据多次工况模拟的纤维素聚合物微观结构演化结果,得到具有随机特性的木材细胞壁应力-应变关系和蠕变与计算时间的关系；
S4，根据S3所得的蠕变与计算时间的关系以及不同尺度下系统能量保守原理所得的宏观应力，得到具有随机特性的木材宏观蠕变柔量曲线，所述蠕变柔量曲线包含均值和正负标准差；
S5，建立具有随机特性的Kelvin-Voigt蠕变模型，根据S4所得包含均值和正负标准差的蠕变柔量曲线，利用最小二乘拟合准则识别Kelvin-Voigt模型中的参数，并标定它们的变异性；
S6，根据评估对象中的木构件确定广义Kelvin-Voigt蠕变模型，得到包含均值和正负标准差的木构件蠕变柔量和时间的关系，并评估其耐久性。
本发明解决了现有技术无法撇开实验数据获得木材蠕变特征；无法根据建筑结构所处的复杂气象环境快速准确的预测钢木构件可能产生的蠕变的技术瓶颈，为更准确地评估钢木结构的耐久性等问题提供依据。
优选地，S1中，所述分子动力学仿真的参数，根据被仿真分析的木材及其所受载荷和气象环境(温度和相对湿度)获得的。仿真中晶态纤维素分子、非晶态纤维素分子数目(组分)通过树种确定。木材细胞壁中水分子的含量(数目)可以通过相对湿度RH与温度通过木材手册查到。
优选地，S2中，所述根据多场耦合作用下纤维素聚合物的运动方程，其中：将纤维素分子或水分子假设为球状粒子，分子i的运动受控于如下运动控制方程：
式中，mi为分子i的质量；ri为分子i的位置向量；tf是计算时间；Fd(rij)为分子间短程相互作用力；Fn为链内的共价键作用力；Fg为重力场向量力；F(T)为受温度影响的随机场向量力；Fs是外加压力场作用力，外加压力场根据加载应力得到。
所述运动控制方程的初始条件具有随机性，即分子初始位置是随机的并且有受温度控制的随机向量力。
本发明的第二方面，提供一种钢木元件木材蠕变耐久性评估装置，包括至少一个处理器、以及至少一个存储器，其中，所述存储器存储有计算机程序，当所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器能够执行所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法。
本发明的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由设备内的处理器执行时，使得所述设备能够执行所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法。
与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：
1)本发明突破了传统依赖于试验分析的现象学标定经典理论模型和经验公式的方法，将微观木材细胞壁纤维粘弹性变形与相应的宏观尺度木材构件动态蠕变有机地联系起来，提供了木材蠕变研究的新途径，揭示了木材蠕变的物理本质。
2)本发明克服了传统的宏观尺度方法耗时长、花费大、不能考虑复杂气象环境的劣势，便于根据建筑结构所处的气象环境，更快速准确评估木材蠕变对其构件的耐久性。
3)本发明为新型结构如钢木结构的设计与优化提供了深入的评估方法。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一实施例中钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法流程图；
图2a、2b为本发明一实施例中木材细胞壁纤维素聚合物微观仿真各组分示意图；
图3为本发明一实施例中恒定拉应力下RH＝90％时木材细胞壁应力应变关系图；
图4为本发明一实施例中木材细胞壁纤维素聚合物系统能量在低和高相对湿度下波动对比图；
图5为本发明一实施例中恒定拉应力下木材细胞壁在低和高相对湿度下蠕变曲线；
图6为本发明一实施例中稳态拉应力场作用下低和高相对湿度时松木宏观蠕变柔量(均值及其加一倍标准差)；
图7为本发明一实施例中均值及其加减一倍标准差拟合Kelvin-Voigt模型对比图；
图8为本发明一实施例中低和高相对湿度下胶合板构件蠕变柔量和时间关系图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
参照图1所示，本发明实施例提供一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，具体包括如下步骤：
S1，根据评估对象设置木材细胞壁纤维素聚合物分子动力学仿真的参数；如非晶态纤维素、纤维素晶体和水分子的组份，温度、相对湿度、外加压力等。
S2，根据多场耦合作用下纤维素聚合物的运动方程，构建大规模分子动力学仿真模块；此多场耦合指温度场、湿度场、外加压力场，大规模可以是分子数目大于千万(106)个。
S3，根据S1所得的分子动力学仿真参数采用S2的大规模分子动力学仿真模块模拟木材细胞壁分子微观结构演化，根据上百次工况模拟的纤维素聚合物微观结构演化结果,得到具有随机特性的木材细胞壁应力-应变关系和蠕变与计算时间的关系；由于纤维素聚合物分子(包括晶态纤维素分子、非晶态纤维素分子和水分子)的初始位置是随机的并且受到随机的受温度影响的作用力，要设置上百次工况进行模拟。
本步骤中，应变为应力作用下，木材细胞壁单位体积的变形，随应力和计算时间的变大而变大；蠕变为应力恒定的情况下木材细胞壁应变的增量(也称为蠕变应变)，随计算时间的变大而变大。任意时刻木材细胞壁的蠕变应变与应力产生的弹性应变之和即为此时刻木材细胞壁的总应变。
S4，根据S3所得的蠕变与计算时间的关系以及不同尺度下系统能量保守原理所得的宏观应力，得到具有随机特性的木材宏观蠕变柔量曲线；其中，蠕变柔量是木材蠕变过程中任意时刻的蠕变应变与应力之比值；蠕变柔量曲线反应了蠕变柔量和时间的关系，是木材蠕变性能的重要评价指标。
S5，建立具有随机特性的Kelvin-Voigt蠕变模型，根据S4所得包含均值和正负标准差的蠕变柔量曲线，利用最小二乘拟合准则识别Kelvin-Voigt模型中的参数(特征参数J0和t)，并标定它们的变异性；具体的，具有随机特性的Kelvin-Voigt蠕变模型，公式如下：
J(t)＝J0(1-e-t/t)
式中：J0、t是特征参数，根据木材细胞壁微观仿真结果所得的蠕变柔量曲线确定，特征参数J0为随机变量，遵循正态分布。变异性一般由变异系数(标准差/均值)确定。
Kelvin-Voigt蠕变模型是现有技术，不过现有模型均为确定性模型，忽略了木材蠕变演化的物理随机本质。本实施例在现有Kelvin-Voigt蠕变模型的基础上，对其进行了改进，改进后的模型不仅可以识别特征参数的均值还能反应它的变异性，即可能发生的结果偏离均值的程度，更准确的评估木材蠕变耐久性。
S6，根据评估对象的木构件确定广义Kelvin-Voigt蠕变模型，得到包含均值和正负标准差的木构件蠕变柔量和时间的关系，并评估其耐久性。
本发明实施例从木材蠕变产生的微观机理出发，提出了蠕变模型参数标定的新途径，便于根据建筑结构所处的气象环境，更快速准确评估木材蠕变对其构件的耐久性。
在本发明另一实施例中，还提供一种钢木元件木材蠕变耐久性评估装置，包括至少一个处理器、以及至少一个存储器，其中，所述存储器存储有计算机程序，当所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器能够执所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法。
在本发明另一实施例中，还提供一种计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由设备内的处理器执行时，使得所述设备能够执行所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法。
为了更好理解本发明上述的实施例，以下对本实施例涉及的详细的原理和技术细节进行说明。
研究表明，纤维素作为细胞壁的骨架物质，是细胞壁承受载荷的主体。细胞壁的粘弹性变形主要由晶态、非晶态(无定形)纤维素和他们中所含水分子决定。为了简化问题，便于工程应用，本发明上述实施例只考虑晶态纤维素分子、非晶态纤维素分子和水分子在细胞壁中的动力学特征。根据研究对象的木材细胞壁中晶态纤维素分子和非晶态纤维素分子的含量，以及温度、相对湿度，确定仿真中晶态纤维素分子、非晶态纤维素分子和水分子的组分，如图2a、2b所示，虚线示意结晶纤维素分子，大黑点示意非晶纤维素分子，小灰点示意水分子。木材细胞壁中水分子的含量和相对湿度RH与温度的关系可以通过手册查到。
本实施例中多场耦合作用下微观纤维素分子/水分子运动控制方程，为提高计算效率，把纤维素分子或水分子假设为球状粒子。分子i的运动受控于如下运动控制方程：
式中，mi为分子i的质量；ri为分子i的位置向量；tf是计算时间；Fd(rij)为分子间短程相互作用力；Fn为链内的共价键作用力；Fg为重力场向量力；F(T)为受温度影响的随机场向量力；Fs是外加压力场作用力。外加压力场根据加载应力得到。
上述运动控制方程的初始条件具有随机性，即分子初始位置是随机的并且有受温度控制的随机向量力。该方程是进行大规模分子动力学仿真模块构建、木材细胞壁微观结构演化分析和粘弹性变形获取的基础。分子动力学仿真模块可以采用编程来实现。
上述实施例中，根据S1所得的分子动力学仿真参数采用S2的大规模分子动力学仿真模块模拟木材细胞壁分子微观结构演化。例如，以建筑上常用的木材松木为例进行木材细胞微观结构演化模拟，分析计算常温下稳态拉应力场(远小于许用拉应力)作用下，松木细胞壁在相对湿度50％和90％两种情况下的粘弹性变形。由于建筑结构主要处于0-40度的环境中，小于松木细胞壁非晶纤维素发生玻璃化的温度，故仿真中采用周期性边界条件，等温等压系综。图3为高相对湿度(RH＝90％)时，稳态拉应力场(远小于许用拉应力)作用下松木的细胞壁的应力应变关系(黑点为仿真结果，直线为均值，点划线为均值加减标准差之后的值)，从图中可以看到，松木细胞壁首先经历弹性变形，接着出现应力平台，之后应力几乎保持不变而应变缓慢增加。在仿真中可以观察到在原有氢键发生断裂的同时，有新的氢键重新结合，且很难恢复到原有状态，这说明在拉伸过程中，分子之间发生了链滑移。由于不确定性初始条件和随机扰动，松木细胞壁应力应变关系出现不同程度的随机涨落。
在低相对湿度(RH＝50％)时，松木细胞壁中纤维素聚合物的总能量在较小的震荡之后就达到平衡，而高相对湿度(RH＝90％)，纤维素聚合物的能量在较大的震荡之后达到平衡状态(图4)。这说明更多水分子进出系统后，加速氢键的断裂、重组，加强了系统的随机涨落，加速纤维素无定形相与结晶相的剪切滑移，产生了更大的相对蠕变量(图5)。从而认为：对于处于相对湿度变化较大的气象环境复杂的木构件，其在宏观性态分析中，应该考虑微观随机涨落的影响。当应力保持为一常数的情下，蠕变应变的增加和仿真时间有关(图5)。
上述实施例中，根据S3所得的蠕变与计算时间的关系以及不同尺度下系统能量保守原理所得的宏观应力，得到具有随机特性的木材宏观蠕变柔量曲线。例如，不同尺度反映木材特性的物理量有明显不同，如微观尺度的物理量为由纤维素分子空间位置和相互作用力引起的木材细胞粘弹性变形，宏观尺度的物理量为木材蠕变柔量。因此，在向上尺度转换过程中如何无损传递由明显不同物理量所携带的信息是多尺度建模的难点。研究表明蠕变是细胞壁纤维素分子晶格应变宏观表现，故宏观粘弹性应变增量可以通过微观纤维素分子晶格应变增量得到：
De＝Dea (2)
式中，De为木材宏观蠕变应变增量；Dea为细胞壁蠕变应变增量。
上述实施例，S4中，根据木材不同尺度下系统能量保守原理，提出了内蕴木材细胞壁微观分子运动随机信息的宏观系统能量模型：
EH(RH,t,L)＝EW(RH,tf,l) (3)
式中，EH，EW分别为宏观尺度和微观尺度下平衡态系统能量；RH,t分别为宏观尺度下木材相对湿度和时间；l为表征细胞壁微观随机信息的基本随机事件；L＝L(l)表示从微观尺度转换到宏观尺度过程中微观结构随机性l的非线性性映射。
因此，可以得到如下“体积平均”形式的宏观应力：
式中，V为所考察木材细胞壁系统的体积。
木材宏观蠕变柔量即可由下式得到：
J(RH,t,L)＝e(RH,t,L)/s(RH,t,L)＝ea(RH,tf,l)/s(RH,t,L) (5)
式中，J是木材宏观蠕变柔量，e，ea分别为木材宏观蠕变应变和细胞壁蠕变应变，s为宏观应力，RH,t分别为宏观尺度下木材相对湿度和时间；tf是计算时间；l为表征细胞壁微观随机信息的基本随机事件；L＝L(l)表示从微观尺度转换到宏观尺度过程中微观结构随机性l的非线性性映射。通过木材宏观蠕变柔量数值得到具有随机特性的木材宏观蠕变柔量曲线。
根据纤维素聚合物微观结构演化模拟结果，图6给出低和高相对湿度(RH＝50％和RH＝90％)时，稳态拉应力场作用下松木宏观蠕变柔量(均值及其加一倍标准差)。从图中可见，随着时间的增大，松木宏观蠕变柔量及其变异性迅速增加，在高相对湿度时，松木宏观蠕变柔量更大。
借鉴木材宏观Kelvin-Voigt蠕变模型，假设木材蠕变柔量也可写为：
J(t)＝J0(1-e-t/t) (6)
式中，J0、t是特征参数，可以根据木材细胞壁微观仿真结果所得的蠕变柔量曲线确定。
进一步，利用最小二乘拟合准则识别低和高相对湿度(RH＝50％和RH＝90％)时，识别稳态拉应力场作用下松木宏观Kelvin-Voigt蠕变模型中的参数并标定它们的变异性。图7为示例的拟合结果(圈符号为仿真结果，直线为拟合结果)。可以发现，仿真结果与拟合结果吻合较好，表明了运用所提出的纤维素聚合物微观结构演化分析结果表征木材宏观蠕变模型的合理性及科学性。
钢木结构蠕变耐久性评估，在钢木元件蠕变耐久性评估中可以通过单个Kelvin-Voigt蠕变模型串联或并联的组合方式来模拟木材构件的蠕变行为，即广义Kelvin—Voigt模型。以3层松木旋切板胶合木梁为例，图8为相对湿度50％和90％环境下3层胶合松木梁蠕变柔量和时间的关系。从图中可以看出，高相对湿度(90％)下胶合木梁先达到蠕变极限，其达到蠕变极限的时间还不到50年。相对湿度对木构件耐久性影响显著。从图中还可以看出木构件宏观蠕变柔量的变异性仍然显著。故而，在钢木结构耐久性评价或设计中应该考虑复杂外在气象环境和木材微观结构的随机性。
本发明突破了传统的依赖于试验分析的现象学标定方法，从木材蠕变产生的微观机理出发，提出了木材蠕变模型参数标定的新途径，从而便于根据建筑结构所处的气象环境，更快速准确评估木材蠕变对其构件的耐久性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。
Claims (10)
1.一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，其特征在于，包括：
S1，根据评估对象设置木材细胞壁纤维素聚合物分子动力学仿真的参数；
S2，根据多场耦合作用下纤维素聚合物的运动方程，构建大规模分子动力学仿真模块；
S3，根据S1所得的分子动力学仿真参数，采用S2的大规模分子动力学仿真模块模拟木材细胞壁分子微观结构演化，根据多次工况模拟的纤维素聚合物微观结构演化结果,得到具有随机特性的木材细胞壁应力-应变关系和蠕变与计算时间的关系；
S4，根据S3所得的蠕变与计算时间的关系以及不同尺度下系统能量保守原理所得的宏观应力，得到具有随机特性的木材宏观蠕变柔量曲线，所述蠕变柔量曲线包含均值和正负标准差；
S5，建立具有随机特性的Kelvin-Voigt蠕变模型，根据S4所得包含均值和正负标准差的蠕变柔量曲线，利用最小二乘拟合准则识别Kelvin-Voigt模型中的参数，并标定它们的变异性；
S6，根据评估对象中的木构件确定广义Kelvin-Voigt蠕变模型，得到包含均值和正负标准差的木构件蠕变柔量和时间的关系，并评估其耐久性。
2.根据权利要求1所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，其特征在于，S1中，所述分子动力学仿真的参数，根据被仿真分析的木材及其所受载荷和气象环境获得的，所述气象环境包括温度和相对湿度；
仿真中晶态纤维素分子、非晶态纤维素分子数目通过树种确定；
木材细胞壁中水分子的含量通过相对湿度RH与温度通过木材手册查到。
3.根据权利要求1所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，其特征在于，S2中，所述根据多场耦合作用下纤维素聚合物的运动方程，其中：将纤维素分子或水分子假设为球状粒子，分子i的运动受控于如下运动控制方程：
式中，mi为分子i的质量；ri为分子i的位置向量；tf是计算时间；Fd(rij)为分子间短程相互作用力；Fn为链内的共价键作用力；Fg为重力场向量力；F(T)为受温度影响的随机场向量力；Fs是外加压力场作用力，外加压力场根据加载应力得到；
所述运动控制方程的初始条件具有随机性，即分子初始位置是随机的并且有受温度控制的随机向量力。
4.根据权利要求3所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，其特征在于，所述构建大规模分子动力学仿真模块，包括：将所述运动控制方程进行编程并封装进基于开源软件LAMMPS的动力学仿真模块中。
5.根据权利要求1所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，其特征在于，所述具有随机特性的木材细胞壁应力-应变关系和蠕变与计算时间的关系，其中：
应变为应力作用下，木材细胞壁单位体积的变形，随应力和计算时间的变大而变大；
蠕变为应力恒定的情况下木材细胞壁应变的增量即蠕变应变，随计算时间的变大而变大；
任意时刻木材细胞壁的蠕变应变与应力产生的弹性应变之和即为此时刻木材细胞壁的总应变。
6.根据权利要求1所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，其特征在于，所述具有随机特性的木材宏观蠕变柔量曲线，其中：蠕变柔量是木材蠕变过程中任意时刻的蠕变应变与应力之比值；蠕变柔量曲线反应了蠕变柔量和时间的关系，是木材蠕变性能的重要评价指标。
7.根据权利要求1所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，其特征在于，所述建立具有随机特性的Kelvin-Voigt蠕变模型，包括：
J(t)＝J0(1-e-t/t)
式中：J0、t是特征参数，根据木材细胞壁微观仿真结果所得的蠕变柔量曲线确定，特征参数J0为随机变量，遵循正态分布。
8.根据权利要求1所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法，其特征在于，所述木材宏观蠕变柔量，由下式得到：
J(RH,t,L)＝e(RH,t,L)/s(RH,t,L)＝ea(RH,tf,l)/s(RH,t,L)
其中，J是木材宏观蠕变柔量，e、ea分别为木材宏观蠕变应变和细胞壁蠕变应变，s为宏观应力，RH,t分别为宏观尺度下木材相对湿度和时间；tf是计算时间；l为表征细胞壁微观随机信息的基本随机事件；L＝L(l)表示从微观尺度转换到宏观尺度过程中微观结构随机性l的非线性映射。
9.一种钢木元件木材蠕变耐久性评估装置，包括至少一个处理器、以及至少一个存储器，其中，所述存储器存储有计算机程序，当所述程序被所述处理器执行时，使得所述处理器能够执行权利要求1-8任一项所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法。
10.一种计算机可读存储介质，当所述存储介质中的指令由设备内的处理器执行时，使得所述设备能够执行权利要求1-8任一项所述的钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111019646.0A CN113707243B (zh) | 2021-09-01 | 2021-09-01 | 一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111019646.0A CN113707243B (zh) | 2021-09-01 | 2021-09-01 | 一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113707243A true CN113707243A (zh) | 2021-11-26 |
| CN113707243B CN113707243B (zh) | 2023-10-27 |
Family
ID=78658676
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111019646.0A Active CN113707243B (zh) | 2021-09-01 | 2021-09-01 | 一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113707243B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008209262A (ja) * | 2007-02-27 | 2008-09-11 | Akita Univ | 弾・塑性・クリープ特性の迅速評価方法 |
| CN104298874A (zh) * | 2014-10-11 | 2015-01-21 | 中国石油大学(华东) | 基于细观组构模拟的混凝土蠕变性质预测方法 |
| CN108225951A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-06-29 | 中冶建筑研究总院有限公司 | 一种纤维增强复合材料的耐久性的非损伤测试方法 |
| CN111442993A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-24 | 西南林业大学 | 蠕变测试装置、木材蠕变测试系统及测试方法 |
| CN111554362A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-08-18 | 西安建筑科技大学 | 一种建立hbprc动态损伤本构模型的方法 |
-
2021
- 2021-09-01 CN CN202111019646.0A patent/CN113707243B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008209262A (ja) * | 2007-02-27 | 2008-09-11 | Akita Univ | 弾・塑性・クリープ特性の迅速評価方法 |
| CN104298874A (zh) * | 2014-10-11 | 2015-01-21 | 中国石油大学(华东) | 基于细观组构模拟的混凝土蠕变性质预测方法 |
| CN108225951A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-06-29 | 中冶建筑研究总院有限公司 | 一种纤维增强复合材料的耐久性的非损伤测试方法 |
| CN111442993A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-07-24 | 西南林业大学 | 蠕变测试装置、木材蠕变测试系统及测试方法 |
| CN111554362A (zh) * | 2020-03-30 | 2020-08-18 | 西安建筑科技大学 | 一种建立hbprc动态损伤本构模型的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 彭辉;蒋佳荔;詹天翼;吕建雄;: "木材普通蠕变和机械吸湿蠕变研究概述", 林业科学, no. 04, pages 116 - 126 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113707243B (zh) | 2023-10-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| De Borst et al. | Mechanical characterization of wood: An integrative approach ranging from nanoscale to structure | |
| CN101915733B (zh) | 一种基于频率变化的结构损伤程度评估方法 | |
| Rush et al. | Towards a fragility assessment of a concrete column exposed to a real fire–Tisova Fire Test | |
| Husson et al. | Elastic response in wood under moisture content variations: analytic development | |
| Qin et al. | Strength degradation and service life prediction of timber in ancient Tibetan building | |
| Liu et al. | A practical approach to modeling time‐dependent nonlinear creep behavior of polyethylene for structural applications | |
| Zhao et al. | Experimental study and constitutive modeling on viscoelastic-plastic mechanical properties of ETFE foils subjected to uniaxial monotonic tension at various strain rates | |
| CN113707243A (zh) | 一种钢木元件木材蠕变耐久性评估的多尺度方法 | |
| Phoenix | Modeling the statistical lifetime of glass fiber/polymer matrix composites in tension | |
| Zhang et al. | Application of various creep analysis methods for estimating the time-dependent behavior of cracked concrete beams | |
| Ning et al. | A damage bond model to investigate the damage and crack propagation for cemented materials and parametric analysis | |
| Smith et al. | Failure mechanisms in wood-based materials: A review of discrete, continuum, and hybrid finite-element representations | |
| KR20100069796A (ko) | 농업용 시설구조물의 구조안전진단장치 | |
| Motra et al. | Quality assessment of models with an application to cyclic creep prediction of concrete | |
| Lin et al. | Determination of material constants for nonlinear viscoelastic predictive model | |
| Sorin et al. | Behaviour of timber structures under variable environment through long-term monitoring | |
| Bacharoudis et al. | Probabilistic analysis of wind turbine blades considering stiffness, strength and stability under extreme and fatigue loading | |
| Longman | In-plane creep behavior of cross-laminated timber and mass plywood panels: A methodology to evaluate the long-term performance of post-tensioned mass timber walls | |
| Seignol et al. | A collective effort to propose practical guidance on the use of numerical models to re-assess AAR-affected structures | |
| Foadieng et al. | Effect of the span length on the deflection and the creep behaviour of Raphia vinifera l. arecacea beam | |
| Zhang et al. | Data‐Driven Damage State Assessment of RC Shear Walls with Experimental Validation | |
| Pukl et al. | Material parameters for computer analysis of fibre reinforced concrete structures | |
| Kruis et al. | Hygro-thermo-mechanical analysis of a reactor vessel | |
| Charupeng et al. | A Novel Space-Time Finite Element Algorithm to Investigate the Hygro-Mechanical Behaviours of Wood Fiber-Polymer Composites. | |
| Fortino et al. | A three-dimensional moisture-stress fem analysis for timber structures |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |