[发明专利]山棕纤维床垫的横观各向同性材料有限元模型建立方法

说明书

本发明涉及一种山棕纤维床垫的横观各向同性材料有限元模型建立方法，包括：S1，对山棕纤维床垫的原材料分别在x方向、y方向和z方向进行拉伸压缩实验，分别得到x方向、y方向和z方向的力学参数；S2，对山棕纤维床垫的原材料在竖直方向进行剪切实验，得到剪切参数；S3，将x方向、y方向和z方向的力学参数、剪切参数和广义胡克定律进行比较，得到柔度系数与工程弹性常数的对应关系；S4，计算山棕纤维床垫的横观各向同性材料参数，S5，根据计算出的横观各向同性材料参数，建立山棕纤维床垫的横观各向同性材料有限元模型；本发明的山棕纤维床垫的横观各向同性假设具有一定的准确性，其模拟结果的可靠度优于各向同性材料模型。

技术领域

本发明涉及棕榈床垫的力学性能与结构技术领域，特别是涉及一种山棕纤维床垫的横观各向同性材料有限元模型建立方法。

背景技术

山棕纤维床垫是一款以山棕植物纤维材料作为主要原料，通过一定的工艺工序生产制备而成的复合材料床垫。随着人们环保意识的增强，山棕纤维床垫正在逐步受到大众的青睐。然而，现阶段对山棕纤维床垫的研究仍然处于起步阶段，许多基础研究还不够深入。

目前，国内外的研究大多是围绕山棕纤维床垫进行数值建模和结构分析。已有学者利用ANSYS等有限元软件对山棕纤维床垫进行整体建模并进行了一些结构的研发分析。现阶段对山棕纤维床垫的主要研究内容是，首先对山棕纤维床垫进行压缩实验和拉伸实验，以测定有限元分析所需的具体试件参数，然后进行有限元建模和结构分析。有部分学者则结合人体-床垫力学行为的特点，对人体睡眠时的压力分布进行力学分析，来研究床垫的睡眠舒适度指数。但是现阶段在对山棕纤维床垫的研究中，普遍采用的是各向同性材料模型。该各向同性材料模型的材料参数只有2个，过于单一，因而无法得到比较精确的模拟结果。正是由于有限元模拟结果的不理想，严重阻碍了山棕纤维床垫的进一步研究了解和结构开发。

发明内容

基于此，有必要针对有限元模拟结果的精确度问题，提供一种山棕纤维床垫的横观各向同性材料有限元模型建立方法。

一种山棕纤维床垫的横观各向同性材料有限元模型建立方法，包括：

S1，对山棕纤维床垫的原材料分别在x方向、y方向和z方向进行拉伸压缩实验，分别得到x方向、y方向和z方向的力学参数；

S2，对山棕纤维床垫的原材料在竖直方向进行剪切实验，得到剪切参数；

S3，将x方向、y方向和z方向的力学参数、剪切参数和广义胡克定律进行比较，得到柔度系数与工程弹性常数的对应关系；

S4，计算出柔度矩阵所对应的五个工程弹性常数，即为山棕纤维床垫的横观各向同性材料参数，其中，横观各向同性材料参数分别沿x方向的弹性模量E_x、沿z向的弹性模量E_z、x-y平面内的泊松比ν_xy、x-z y-z平面内的泊松比ν_zx、以及x-z,y-z平面内剪切方向的剪切模量G；

S5，根据计算出的横观各向同性材料参数，建立山棕纤维床垫的横观各向同性材料有限元模型。

优选地，步骤S1包括：对山棕纤维床垫的原材料在x方向进行拉伸或压缩，有：

对山棕纤维床垫的原材料在y方向进行拉伸或压缩，有：

对山棕纤维床垫的原材料在z方向进行拉伸或压缩，有：

其中，ε表示的是对应方向上的应变，σ表示的是对应方向上的应力，ν表示的是对应方向上的泊松比，E表示的是对应方向上的弹性模量。

优选地，步骤S2包括：

当山棕纤维床垫的原材料受到竖直方向的剪切作用时，有：