[发明专利]一种适于中国古建筑木结构用材本构关系的数值模拟方法

说明书

本发明为一种适于中国古建筑木结构用材本构关系的数值模拟方法，主要分为(1)弹性阶段：将用材视为正交各项异性材料；(2)屈服方程：以宏观唯象的方式建立能够描述中国古建筑木结构用材累计损伤的屈服方程；(3)用材受拉状态：中国古建筑木结构用材在LR、RT、TL平面受拉时均出现脆性断裂，屈服时刻应变增量末端对应应力为零；(4)用材受剪状态：中国古建筑木结构用材在LR、RT、TL平面受剪时均出现脆性断裂，屈服时刻应变增量末端对应应力为零；(5)用材LR平面受压状态：引入径向返回算法、损伤因子和弹性应变能进行描述；(6)用材RT、TL平面受压状态：引入径向返回算法、背应力增量和等效塑性应变进行描述。

技术领域

本发明涉及中国古建筑木结构用材力学性能领域，尤其涉及中国古建筑木结构复杂三维受力状态下本构关系的数值模拟。

背景技术

中国古建筑木结构属于东方独立系统，它区别于世界所有建筑体系，其具有独特的结构形式、布置规模。中国古建筑木结构是极特殊、极长寿、极体面的，它也是中华民族精神的体现。遗憾的是，在漫长的生命周期中中国古建筑木结构受到环境因素和人为因素的影响，而产生结构层次、构件层次、材料层次的损伤，因此对于中国古建筑木结构的保护迫在眉睫。近年来，越来越多的工程人员和研究人员投入到中国古建筑木结构保护领域，勘察、检测、监测、修缮、机理研究等诸多方面起头并进，共同服务于中国古建筑木结构的保护。

由于中国古建筑木结构极其珍贵，对于该对象的研究多基于数值模拟方法。目前大型有限元分析软件ABAQUS被大多数研究人员使用，汇总相关研究发现，在使用大型有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟时，该软件未提供能够适应中国古建筑木结构用材的模型。中国古建筑木结构用材为木材料，目前已有研究人员使用Fortran语言编写适合木材料的本构关系，嵌入大型有限元分析软件ABAQUS的UMAT或VUMAT材料子程序中实现对现代木结构的数值分析。但上述木材料本构关系所采用的屈服方程均来自于理想正交各项异性材料，例如Hill屈服准则、Hoffman屈服准则、Tsai-Wu屈服准则、Norris屈服准则、Hashin屈服准则和Yamad-Sun屈服准则。上述屈服准则中的应力分量系数具有严格的物理意义和比例关系，即上述屈服准则可以很好的描述理想状态下木材料的力学响应。众所周知，木材料宏观力学响应往往与微观构造相关，新木材料可以假定为理性正交各向异性材料。中国古建筑木结构用材，属于老旧木材料，其漫长的生命周期使其在复杂的工作环境中逐渐出现累计损伤，例如木材料的腐朽、虫蛀、裂缝、孔洞等。中国古建筑木结构用材微观构造与新木材完全不同，故此宏观力学响应也存在差别，上述子程序的屈服方程无法适用于中国古建筑木结构用材。工程人员和研究人员需要一种能够描述中国古建筑木结构用材在复杂受力状态下的屈服方程，该屈服方程应能够描述中国古建筑木结构用材累计损伤的特征。已有学者引入严格的损伤力学方程，但是复杂的工作环境带来的随机性使得损伤力学方程中的系数难以确定，引入严格的损伤力学方程会极大提高数值模拟的计算成本。

针对上述问题，本发明公开的方法使用宏观唯象的屈服方程，屈服方程中的参数由中国古建筑木结构修缮替换件用材材性试验结果确定，使用曲线拟合的方式描述用材的累计损伤。参数没有严格的力学定义，应力分量间的比例关系与用材真实响应一致。结合径向返回算法、损伤因子、弹性应变能、背应力增量和等效塑性应变，获取能够描述中国古建筑木结构用材复杂三维受力状态下力学响应的本构关系。本构关系中的关键参数已展示，可通过Fortran语言编写，嵌入大型有限元分析软件ABAQUS的UMAT材料子程序中，应用于实际数值模拟中。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种适于中国古建筑木结构用材本构关系的数值模拟方法。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

本发明公开一种适于中国古建筑木结构用材本构关系的数值模拟方法，包括以下步骤：

(1)弹性阶段：中国古建筑木结构用材弹性阶段用以下公式描述：