CN113761729B - 基于木材弱相结构的木材横纹承压本构关系模型构建方法、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本公开提供的基于木材弱相结构的木材横纹承压本构关系模型构建方法、装置及存储介质，包括：根据横观各向同性材料的胡克定律构建木材在弹性阶段的应力‑应变关系；根据木材横纹承压的受力特征，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力和引起木材剪切变形的偏应力分离，构建基于等效应力和偏应力的木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；根据非关联流动法则，构建木材横纹平面内的塑性流动方程；根据木材单向压缩时屈服应力随应变的演化关系，以及木材单向压缩时的屈服应力和双向压缩时的屈服应力之间的关系，构建木材横纹平面内的硬化方程；构建木材顺纹平面内的应力‑应变关系。本公开可较好的模拟木材横纹受压时体积的压缩变形。
Description
技术领域
本公开属于木材科学及工程结构仿真技术领域，特别涉及一种基于木材弱相结构的木材横纹承压本构关系模型构建方法、装置及存储介质。
背景技术
木材是一种生物质材料，其复杂的力学性能体现在拉力或剪力作用下发生脆性破坏，压力作用下发生塑性变形，且拉压强度不等，同时木材还有蠕变、机械吸附、断裂、荷载持续时间效应等特性。
木材的本构关系模型是描述木材应力、应变、时间等关系的数学表达式，一般包括弹性阶段的应力-应变关系、强度准则、硬化、软化以及塑性发展规则等。在木材本构关系模型的构建方面，目前对强度准则的研究较多，现有研究中用于木材的强度准则有最大主应力准则、Tsai-Wu准则、Hankinson公式、Hoffman准则、Norris准则、Yamada-Sun准则、Hashin准则等，然而对后续塑性发展、软化硬化等的相关研究不多。木材横纹受压时，荷载-位移曲线呈现3个不同的阶段：首先是一个线弹性段，之后木材进入平台阶段，即荷载几乎不变，但变形连续发展，最后是一个强化阶段，即变形增长较小，荷载迅速增加。
木材横纹承压，尤其是局部受压时，有限元模型预测的变形与实测结果比误差很大。出现该现象的一个非常重要的原因在于大部分本构关系模型是基于金属本构模型拓展而来的，金属材料的塑性变形不可压缩，且强度准则不受静水应力的影响。而木材是一种多孔材料，在压缩荷载下存在明显的体积压缩变形，即木材的多孔构造特征是木材横纹承压时的弱相结构，木材在横纹压缩荷载下的荷载位移曲线特征与内部空隙的变化密切相关。
发明内容
本公开旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本公开第一方面提供的能够考虑木材压缩时的大变形和二次硬化的现象，并且能够较好的模拟木材横纹受压时体积的压缩变形，从而克服现有方法严重低估木材横纹压缩变形的缺点的木材横纹承压本构关系模型构建方法，包括：
将木材顺纹方向和横纹方向的应力和应变进行分离；
根据横观各向同性材料的胡克定律构建木材在弹性阶段的应力-应变关系；
根据木材横纹承压的受力特征，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力和引起木材剪切变形的偏应力分离，构建基于等效应力和偏应力的木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；
根据非关联流动法则，构建木材横纹平面内的塑性流动方程；
根据木材单向压缩时屈服应力随应变的演化关系，以及木材单向压缩时的屈服应力和双向压缩时的屈服应力之间的关系，构建木材横纹平面内的硬化方程；
采用线弹性模型或者独立于木材横纹平面的强度准则构建木材顺纹平面内的应力-应变关系。
本公开第一方面实施例提供的木材横纹承压本构关系模型构建方法，具有以下特点及有益效果：
本公开基于木材的多孔特性这一典型弱相结构建立木材的本构关系模型，可以模拟木材横纹受拉强度不变，受压呈现线弹性-平台阶段-强化三个典型阶段的特性。并且由于考虑了孔隙压缩，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力分离出来，将单向压缩时木材的屈服应力与应变的关系作为输入，通过转化后得到双向压缩时屈服应力和塑性应变的关系，通过追踪木材体积应变的变化来控制屈服方程的变化，从而达到对木材横纹承压时存在的体积压缩和大变形进行模拟，模拟得到的横纹压缩变形与试验实测值吻合度较高。解决了现有模型低估横纹压缩变形的问题。此外，本公开建立了木材横纹承压的屈服面方程、流动方程和硬化方程，构建的模型中各个参数具有物理意义，无须经过数据拟合等操作，参数获取较为简便。
在一些实施例中，构建的所述木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程为f(p,q)，其表达式为：
其中，p为木材横纹平面内的等效应力，主要引起木材的体积压缩或扩张，q为木材横纹平面内的偏应力，主要引起木材的剪切变形；定义P-Q笛卡尔坐标系，将屈服面方程f(p,q)绘制在所述P-Q笛卡尔坐标系中，木材横纹平面内的等效应力p对应P-Q笛卡尔坐标系的P轴，木材横纹平面内的偏应力q对应P-Q笛卡尔坐标系的Q轴，屈服面方程f(p,q)在P-Q笛卡尔坐标系中的形状是一个椭圆；α是所述椭圆的短轴与长轴长度的比值；p0为所述椭圆的中心点；B是所述椭圆长轴的长度；σ22和σ33分别是木材横纹平面内两个主轴方向的正应力，σ23是木材横纹平面内的剪应力；pc为木材横纹平面内双向受压的压缩强度，pt为木材横纹平面内双向受拉的拉伸强度，pc和pt分别对应屈服面方程f(p,q)与P-Q笛卡尔坐标系的P轴的两个交点的坐标值，计算公式分别如下：
pt＝kt/kYC
其中，为在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压应力；k和kt是两个与木材材料相关的系数；YT为在木材横纹平面内单向拉伸时的拉伸强度，YC为在木材横纹平面内单向压缩时的屈服强度；木材横纹平面内双向受压的压缩强度pc是一个变量，其初值为/>其演化由所述木材横纹平面内的硬化方程确定。
在一些实施例中，构建的所述木材横纹平面内的塑性流动方程为：
I2＝σ22+σ33
其中，为木材横纹平面内的塑性应变增量；G是塑性势能函数方程；/>是塑性势能函数对应力σ求偏导β是材料系数，取值大于1；Δλ⊥是塑性乘子增量；λ⊥是增量函数；f*是将按胡克定律计算得到的试探应力带入所述屈服面方程f(p,q)中计算得到的值；I2和I3分别是第一应力常数和第二应力常数；/>和/>分别是屈服面方程f(p,q)对第二应力常数I2和第三应力常数I3求偏导；/>和/>分别是第二应力常数I2和第三应力常数I3对λ⊥求偏导；n表示计算Δλ⊥时，各偏导数取第n个迭代步时的值。
在一些实施例中，构建的所述木材横纹平面内的硬化方程为：
其中，是在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压缩应变。
在一些实施例中，所述在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压应力与所述在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压缩应变/>的关系通过单向压缩试验获得。
在一些实施例中，构建的所述木材顺纹平面内的应力-应变关系为：
其中，σ11是木材顺纹方向的正应力；σ12和σ13分别是木材顺纹平面内两个主轴方向的剪应力；X是木材顺纹抗拉或抗压强度；S是木材的顺纹抗剪强度。
本公开第二方面实施例提供的基于木材弱相结构的木材横纹承压本构关系模型构建装置，包括：
分离模块，用于将木材顺纹方向和横纹方向的应力和应变进行分离；
第一构建模块，用于根据横观各向同性材料的胡克定律构建木材在弹性阶段的应力-应变关系；
第二构建模块，用于根据木材横纹承压的受力特征，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力和引起木材剪切变形的偏应力分离，构建基于等效应力和偏应力的木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；
第三构建模块，用于根据非关联流动法则构建木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；
第四构建模块，用于根据木材单向压缩时屈服应力随应变的演化关系，以及单向压缩时的屈服应力和双向压缩时的屈服应力之间的关系构建木材横纹平面内的硬化方程；和
第五构建模块，用于采用线弹性模型，构建木材顺纹方向的应力-应变关系。
本公开第三方面实施例提供的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述木材横纹承压本构关系模型构建方法。
附图说明
图1为本公开第一方面实施例提供的木材横纹承压本构关系模型构建方法的整体流程图。
图2为本公开第一方面实施例提供的构建方法中设定的木材及木材材料方向的示意图。
图3为横纹压缩荷载下的应力应变-应变曲线及采用本公开的木材横纹承压本构关系模型计算得到的应力-应变曲线。
图4为本公开第二方面实施例提供的木材横纹承压本构关系模型构建装置的结构示意图。
图5为本公开第三方面实施例提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
参见图1，本公开第一方面实施例提供的基于木材弱相结构的木材横纹承压本构关系模型的构建方法，包括：
将木材顺纹方向和横纹方向的应力和应变进行分离；
对于木材横纹方向：
根据横观各向同性材料的胡克定律构建木材在弹性阶段的应力-应变关系；
根据木材横纹承压的受力特征，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力和引起木材剪切变形的偏应力分离，构建基于等效应力和偏应力的木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；
根据非关联流动法则，构建木材横纹平面内的塑性流动方程；
根据木材单向压缩时屈服应力随应变的演化关系，以及木材单向压缩时的屈服应力和双向压缩时的屈服应力之间的关系，构建木材横纹平面内的硬化方程；
对于木材顺纹方向：
采用线弹性模型或者独立于木材横纹平面的强度准则构建木材顺纹平面内的应力-应变关系；
将律构的建木材在弹性阶段的应力-应变关系、木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程、木材横纹平面内的塑性流动方程和木材顺纹平面内的应力-应变关系构成木材横纹承压本构关系模型。
本公开第一方面实施例提供的木材横纹承压本构关系模型的构建方法，具有以下优点：
本公开基于木材横纹承压时的弱相结构，考虑木材的多孔特性，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力分离出来，将单向压缩时木材的屈服应力与应变的关系作为输入，通过转化后得到双向压缩时屈服应力和塑性应变的关系，通过追踪木材体积应变的变化来控制屈服方程的变化，从而达到对木材横纹承压时存在的体积压缩和大变形进行模拟。建立木材横纹承压的屈服方程、流动方程和硬化方程，模型中各参数具有明确的物理意义，材料参数易于从试验中获取，可以模拟木材在横纹压缩下的大变形特性。该本构关系模型可以通过进一步编写计算程序，从而用于工程实践中。
在一些实施例中，木材在弹性阶段的应力-应变关系具体按照以下步骤构建：
木材在弹性阶段的应力-应变关系采用横观各向同性材料的胡克定律来进行描述。其中木材顺纹方向作为一个材料主轴，与顺纹方向垂直的横纹平面内可建立两个互相垂直的材料主轴。参见图2，不失一般性，三个材料主轴可采用木材的顺纹方向1、径向2和弦向3三个互相垂直的方向。
在一些实施例中，构建的木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程f(p，q)为：
其中，p为木材横纹平面内的等效应力，主要引起木材的体积压缩或扩张，q为木材横纹平面内的偏应力，主要引起木材的剪切变形；定义P-Q笛卡尔坐标系，将屈服面方程f(p，q)绘制在该坐标系中，木材横纹平面内的等效应力p对应P-Q笛卡尔坐标系的P轴，木材横纹平面内的偏应力q对应P-Q笛卡尔坐标系的Q轴，屈服面方程f(p，q)在P-Q笛卡尔坐标系中的形状是一个椭圆；α是表示屈服面方程形状的一个材料参数，几何意义为屈服面椭圆短轴与长轴长度的比值；p0为屈服面椭圆的中心点；B是屈服面椭圆长轴的长度；σ22和σ33分别是木材横纹平面内两个主轴方向的正应力，σ23是木材横纹平面内的剪应力；pc为木材横纹平面内双向受压的压缩强度，pt为木材横纹平面内双向受拉的拉伸强度，pc和pt分别对应屈服面方程f(p，q)与P-Q笛卡尔坐标系的P轴的两个交点的坐标值，计算公式分别如下：
pt＝kt/kYC
其中，为在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压应力；k和kt是两个与木材材料相关的系数，可以通过试验获得；YT为在木材横纹平面内单向拉伸时的拉伸强度，YC为在木材横纹平面内单向压缩时的屈服强度；木材横纹平面内双向受压的压缩强度pc是一个变量，其初值为/>其演化由硬化方程确定。
在一些实施例中，采用非关联流动法则，构建的木材横纹平面内的塑性流动方程为：
I2＝σ22+σ33
其中，为木材横纹平面内的塑性应变增量；G是塑性势能函数方程；/>是塑性势能函数对应力σ求偏导，具体地，G对σ的偏导展开成σ22、σ33和σ23对各分量的形式；β是一个材料系数，取值大于1；Δλ⊥是塑性乘子增量；λ⊥是一个增量函数；f*是将按胡克定律计算得到的试探应力带入屈服面方程f(p，q)中计算得到的值；I2和I3分别是第一应力常数和第二应力常数；/>和/>分别是屈服面方程对第二应力常数I2和第三应力常数I3求偏导；/>和/>分别是第二应力常数I2和第三应力常数I3对λ⊥求偏导；下标n表示计算Δλ⊥时，各偏导数取第n个迭代步时的值。
在一些实施例中，构建的木材横纹平面内的硬化方程为：
其中，是在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压应力，/>是关于在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压缩应变/>的函数；/>和/>的关系通过单向压缩试验获得。
在一些实施例中，木材顺纹平面内的应力-应变关系，可以采用线弹性模型，或独立于木材横纹平面的强度准则，如顺纹方向采用如下强度准则：
其中，σ11是木材顺纹方向的正应力；σ12和σ13分别是木材顺纹平面内两个主轴方向的剪应力；X是木材顺纹抗拉或抗压强度；S是木材的顺纹抗剪强度。
当满足顺纹方向强度准则后，采用理想弹塑性模型。
为了验证本公开第一方面实施例提供的木材横纹承压本构关系模型的构建方法的有效性，采用本公开方法构建的的木材横纹承压本构关系模型对木材横纹承压性能进行模拟，并与试验实测值进行对比，结果见图3，根据图3可知，本公开方法构建的木材横纹承压本构关系模型具有较好的模拟精度。
本公开第二方面实施例提供的基于木材弱相结构的木材横纹承压本构关系模型构建装置，其结构参见图4，包括：
分离模块，用于将木材顺纹方向和横纹方向的应力和应变进行分离；
第一构建模块，用于根据横观各向同性材料的胡克定律构建木材在弹性阶段的应力-应变关系；
第二构建模块，用于根据木材横纹承压的受力特征，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力和引起木材剪切变形的偏应力分离，构建基于等效应力和偏应力的木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；
第三构建模块，用于根据非关联流动法则构建木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；
第四构建模块，用于根据木材单向压缩时屈服应力随应变的演化关系，以及单向压缩时的屈服应力和双向压缩时的屈服应力之间的关系构建木材横纹平面内的硬化方程；和
第五构建模块，用于采用线弹性模型，构建木材顺纹方向的应力-应变关系。
为了实现上述实施例，本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行，用于执行上述实施例的木材横纹承压本构关系模型的构建方法。
下面参考图5，其示出了适于用来实现本公开实施例的电子设备900的结构示意图。其中，需要说明的是，该电子设备900可以包括但不限于诸如移动电话、笔记本电脑、数字广播接收器、PDA(个人数字助理)、PAD(平板电脑)、PMP(便携式多媒体播放器)、车载终端(例如车载导航终端)等等的移动终端以及诸如数字TV、台式计算机、服务器等等的固定终端。图5示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本公开实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图5所示，电子设备900可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)901，其可以根据存储在只读存储器(ROM)902中的程序或者从存储装置908加载到随机访问存储器(RAM)903中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 903中，还存储有电子设备900操作所需的各种程序和数据。处理装置901、ROM 902以及RAM 903通过总线904彼此相连。输入/输出(I/O)接口905也连接至总线904。
通常，以下装置可以连接至I/O接口905：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风等的输入装置906；包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置907；包括例如磁带、硬盘等的存储装置908；以及通信装置909。通信装置909可以允许电子设备900与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图5示出了具有各种装置的电子设备900，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图中所示方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置909从网络上被下载和安装，或者从存储装置908被安装，或者从ROM 902被安装。在该计算机程序被处理装置901执行时，执行本公开实施例的方法中限定的上述功能。
需要说明的是，本公开上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。
上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：将木材顺纹方向和横纹方向的应力和应变进行分离；根据横观各向同性材料的胡克定律构建木材在弹性阶段的应力-应变关系；根据木材横纹承压的受力特征，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力和引起木材剪切变形的偏应力分离，构建基于等效应力和偏应力的木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；根据非关联流动法则，构建木材横纹平面内的塑性流动方程；根据木材单向压缩时屈服应力随应变的演化关系，以及木材单向压缩时的屈服应力和双向压缩时的屈服应力之间的关系，构建木材横纹平面内的硬化方程；采用线弹性模型，构建木材顺纹方向的应力-应变关系。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++、python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤，可以通过程序来指令相关的硬件完成，所开发的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种基于木材弱相结构的木材横纹承压本构关系模型构建方法，其特征在于，包括：
将木材顺纹方向和横纹方向的应力和应变进行分离；
根据横观各向同性材料的胡克定律构建木材在弹性阶段的应力-应变关系；
根据木材横纹承压的受力特征，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力和引起木材剪切变形的偏应力分离，构建基于等效应力和偏应力的木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；
根据非关联流动法则，构建木材横纹平面内的塑性流动方程；
根据木材单向压缩时屈服应力随应变的演化关系，以及木材单向压缩时的屈服应力和双向压缩时的屈服应力之间的关系，构建木材横纹平面内的硬化方程；
采用线弹性模型或者独立于木材横纹平面的强度准则构建木材顺纹平面内的应力-应变关系；
构建的所述木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程为f(p,q)，其表达式为：
其中，p为木材横纹平面内的等效应力，主要引起木材的体积压缩或扩张，q为木材横纹平面内的偏应力，主要引起木材的剪切变形；定义P-Q笛卡尔坐标系，将屈服面方程f(p,q)绘制在所述P-Q笛卡尔坐标系中，木材横纹平面内的等效应力p对应P-Q笛卡尔坐标系的P轴，木材横纹平面内的偏应力q对应P-Q笛卡尔坐标系的Q轴，屈服面方程f(p,q)在P-Q笛卡尔坐标系中的形状是一个椭圆；α是所述椭圆的短轴与长轴长度的比值；p0为所述椭圆的中心点；B是所述椭圆长轴的长度；σ22和σ33分别是木材横纹平面内两个主轴方向的正应力，σ23是木材横纹平面内的剪应力；pc为木材横纹平面内双向受压的压缩强度，pt为木材横纹平面内双向受拉的拉伸强度，pc和pt分别对应屈服面方程f(p,q)与P-Q笛卡尔坐标系的P轴的两个交点的坐标值，计算公式分别如下：
pt＝kt/kYC
其中，为在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压应力；k和kt是两个与木材材料相关的系数；YT为在木材横纹平面内单向拉伸时的拉伸强度，YC为在木材横纹平面内单向压缩时的屈服强度；木材横纹平面内双向受压的压缩强度pc是一个变量，其初值为/>其演化由所述木材横纹平面内的硬化方程确定；
构建的所述木材横纹平面内的塑性流动方程为：
I2＝σ22+σ33
其中，为木材横纹平面内的塑性应变增量；G是塑性势能函数方程；/>是塑性势能函数对应力σ求偏导；β是材料系数，取值大于1；Δλ⊥是塑性乘子增量；λ⊥是增量函数；f*是将按胡克定律计算得到的试探应力带入所述屈服面方程f(p,q)中计算得到的值；I2和I3分别是第一应力常数和第二应力常数；/>和/>分别是屈服面方程f(p,q)对第二应力常数I2和第三应力常数I3求偏导；/>和/>分别是第二应力常数I2和第三应力常数I3对λ⊥求偏导；n表示计算Δλ⊥时，各偏导数取第n个迭代步时的值；
构建的所述木材横纹平面内的硬化方程为：
其中，是在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压缩应变。
2.根据权利要求1所述的木材横纹承压本构关系模型构建方法，其特征在于，所述在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压应力与所述在木材横纹平面内单向受压且木材屈服后对应的木材压缩应变/>的关系通过单向压缩试验获得。
3.根据权利要求1所述的木材横纹承压本构关系模型构建方法，其特征在于，构建的所述木材顺纹平面内的应力-应变关系为：
其中，σ11是木材顺纹方向的正应力；σ12和σ13分别是木材顺纹平面内两个主轴方向的剪应力；X是木材顺纹抗拉或抗压强度；S是木材的顺纹抗剪强度。
4.一种基于木材弱相结构的木材横纹承压本构关系模型构建装置，其特征在于，用于实现根据权利要求1～3中任一项所述的木材横纹承压本构关系模型构建方法，该装置包括：
分离模块，用于将木材顺纹方向和横纹方向的应力和应变进行分离；
第一构建模块，用于根据横观各向同性材料的胡克定律构建木材在弹性阶段的应力-应变关系；
第二构建模块，用于根据木材横纹承压的受力特征，将木材横纹平面内引起木材体积变形的等效应力和引起木材剪切变形的偏应力分离，构建基于等效应力和偏应力的木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；
第三构建模块，用于根据非关联流动法则构建木材横纹平面内弹塑性阶段的屈服面方程；
第四构建模块，用于根据木材单向压缩时屈服应力随应变的演化关系，以及单向压缩时的屈服应力和双向压缩时的屈服应力之间的关系构建木材横纹平面内的硬化方程；和
第五构建模块，用于采用线弹性模型，构建木材顺纹方向的应力-应变关系。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行权利要求1～3中任一项所述的木材横纹承压本构关系模型构建方法。
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