竹材碾压开纤的有限元分析

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天然竹纤维是由竹子直接加工而成的,形态类似与植物纤维,可替代木纤维用于制造经济墙板。并且,竹纤维是目前唯一的凉爽型纤维,具有绿色和环保等优良特性,还具有优异的力学性能,可以替代生产纤维增强复合材料。  竹材碾压开纤法是制备长竹纤维的主要方法,目前由于理论研究的滞后,竹材具体的开纤机理和相关的机械参数还不清楚。导致竹子粗纤维的提取处于低水平阶段,实现碾压开纤的高效高质量生产是目前急待解决的问题。  本文拟通过建立竹材碾压的细观有限元力学模型,找到定量研究竹材碾压开纤的方法,从而进一步获得碾压开纤的机械参数。本文基于竹子结构特点,视竹材为纤维和基体组成的复合材料,从研究竹材碾压开纤原理入手,运用有限元建模方法,研究建立了碾压开纤的有限元细观力学模型,分析了碾压开纤过程中竹子纤维和基体的应力、应变变化,结果与实际情况相符合;对碾压过程的运动仿真较清晰地模拟了竹材碾压开纤的过程。具体研究内容为:  1. 竹材预处理及力学性能测试,获得竹材和组分材料的物理参数;  2.选取代表性体积单元研究竹材细观结构对竹材力学性能的影响。运用ABAQUS仿真软件研究竹材细观结构(不同形状纤维和排列方式)对顺纹拉伸和经向压缩力学性能的影响。  3.研究竹子碾压开纤的建模方法,建立碾压开纤的有限元力学模型,获得碾压开纤过程中竹子纤维和基体的应力、应变变化,分析竹材不同进料速度对碾压开纤的影响。  4.根据竹材层合结构特点,初步探讨竹材纤维层在碾压开纤中,裂纹的生成和扩展现象。  通过研究分析,得到以下结论:  1.通过对竹材RVE的有限元分析,竹材截面选取圆形纤维形状和六边形排列方式时,计算结果与实际模型相符。  2.建立了竹子碾压开纤的有限元模型,获得的纤维和基体的应力、应变的变化,定量解释了竹子碾压开纤的细观机理;竹子开纤过程的运动仿真较清晰直观地看出基体破坏开纤的过程;说明本文提出的运用有限元方法研究竹子碾压开纤是可行的。  3.对预处理后纤维含量45%的竹材,碾压棍直径按咬入角取最小值60mm,竹材水平初速度为30mm/s时,可以获得较好的碾压开纤效果。
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