论文总字数：5798字

摘 要

目前木材的连接大多使用胶粘剂胶合，但是胶粘剂中含有的大量有害物质会污染环境并威胁人体健康。因此我们需要发展新的绿色环保工艺来进行连接木材。木材焊接这项新兴技术从1997年首次提出以来，仅有二十年发展时间。现在木材焊接的强度大多已经达到了胶合强度的要求，有些甚至超过了胶合强度。但是目前国内外对木材焊接的研究大多都只通过实验来分析影响焊接性能的参数，并没有对木材焊接接头的力学特性深入研究，对木材焊接的数值模拟也只侧重于物理传热模型仿真，并没有对焊接层进行数值模拟。本文主要对三种毛竹焊接接头进行了数值模拟。

毛竹是一种纤维增强的功能梯度复合材料，本文利用分层法对毛竹层进行建模。毛竹焊接接头拉伸剪切强度试验中焊接层发生了内聚破坏，本文分析了内聚力模型的理论基础，并首先提出利用内聚力模型来模拟木材焊接层。

通过对竹青面之间、竹黄面之间、竹青与竹黄面之间三种形式的焊接接头进行数值模拟，所得的模拟拉伸剪切强度与实验值误差极小，可以认为采取内聚力模型来模拟焊接层是可行的，所建立的毛竹焊接接头有限元仿真也是准确的。以竹青面之间焊接接头为例分析了焊接层的失效进程。此外，还分析了内聚力参数对数值模拟的影响。

关键词：木材焊接，数值模拟，剪切强度，内聚力模型

Abstract

At present, most wood connections are made with adhesive, but a large number of harmful substances contained in adhesive will pollute the environment and threaten human health. Therefore, we need to develop new green technology to connect wood. It is two decades since wood welding, a new technology, was proposed in 1997. Now, the strength of most of the wood welding has reached the requirement of bonding strength, and the strength of some can exceed the bonding strength. But presently, most researchers at home and abroad only conduct experiments to analyze parameters affecting the welding performance. There is no in-depth study on the mechanical properties of wood welded joints. In addition, the numerical simulation of wood welding only focuses on physical heat transfer model simulation, and the numerical simulation of welding layer is not carried out. The aim of this paper is to carry out the numerical simulation of three kinds of moso bamboo welded joints.

In the tensile shear strength test of moso bamboo welded joints, the cohesive failure occurred in the welding layer. The author analyzes the theoretical basis of the cohesive zone model, and first proposes that wood welding layer can be simulated by using the cohesive zone model. Moso bamboo is a kind of fiber reinforced functional gradient composite material, so the author uses the layering method to model moso bamboo.

Through the numerical simulation of three kinds of moso bamboo welded joints, inner-outer, outer-outer and inner-inner welded joints, the difference between the simulated tensile shear strength and experimental value is very small. It can be considered that it is feasible to simulate the welding layer by the cohesive zone model, and the finite element simulation of the welded joint is also accurate. Taking the moso bamboo outer-outer welded joint as an example, the failure process of the welding layer is observed. In addition, the influence of parameters of the cohesive zone model on numerical simulation is also carried out.

KEY WORDS: wood welding, numerical simulation, shear strength, cohesive zone model

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 木材焊接技术研究进展 1

1.2.1 平面摩擦焊接研究现状 2

1.2.2 木榫旋转摩擦焊接研究现状 2

1.2.3 木材焊接数值模拟研究现状 3

1.3 研究内容 4

第二章 木材焊接技术基础 5

2.1 木材焊接技术原理 5

2.2 毛竹焊接实验 6

2.3 拉伸剪切强度测试 7

2.4 本章小结 8

第三章 毛竹层数值模拟研究 9

3.1 毛竹结构特性 9

3.2 毛竹有限元分析 9

3.2.1 纤维法有限元模拟 9

3.2.2 分层法有限元模拟 10

3.3 本章小结 11

第四章 焊接层数值模拟研究 13

4.1 毛竹焊接层分析 13

4.2 内聚力模型理论 13

4.3 内聚力单元建模方法 15

4.4 本章小结 16

第五章 毛竹焊接接头数值模拟研究 17

5.1 毛竹焊接接头有限元建模过程 17

5.2 讨论分析 19

5.2.1 竹青面焊接接头结果分析 19

5.2.2 其他结果分析 23

5.3 内聚力参数对数值模拟的影响 24

5.4 本章小结 25

第六章 总结与展望 26

6.1 总结 26

6.2 展望 26

致 谢 27

参考文献 28

绪论

研究背景与意义

木材加工业大量使用胶粘剂。随着经济高速发展，胶粘剂大量使用所带来的环境和健康问题也日益严重。胶粘剂中含有大量的有毒物质，如固化剂、增塑剂、稀释剂甚至甲醛等，其会对环境产生污染和甚至会危害人体健康。因此，我们迫切地需要发展新的绿色木材连接工艺。

早在几千年前青铜器时代，随着金属的应用，中国、埃及等地区的人类就已经开始应用焊接技术来制造工具。经过数千年的发展，焊接技术已经广泛应用于金属、热塑性塑料等材料，焊接结构在航天、航空、建筑、交通等领域也得到了广泛的应用。木材作为一种天然材料，其基本形态单位是细胞。成熟的木材细胞大多是空腔的厚壁细胞，其主要组成成分为纤维素、木质素以及半纤维素。利用焊接技术来连接木材这项技术从1997年首次被提出^[1]，至今仅有二十年左右的发展时间，是一个具有很高发展潜力的创新工艺。

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