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摘要 基于有限元理论，在Ansys环境下对碳纤维增强木质复合板建立微观单胞模型和宏观几何模型，并对二者进行力学性能的一阶模态仿真分析。结果表明，物理试验和仿真预测数据相吻合，验证了所建模型的有效性和可靠性，达到了依据复合材料的微观结构对宏观性能进行预测的目的，从而实现了复合材料力学性能的宏微观关联。
关键词 有限元建模；短切碳纤维增强木质复合板（SCFRW）；宏微观；模态分析；力学性能
中图分类号S784；TB332文献标识码A文章编号0517-6611（2014）30-10711-04
基金项目中央高校专项（DL12CB06）；高等学校博士学科专项（20120062120007）。
作者简介张冬妍（1976- ），女，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，从事系统建模与仿真、木材科学与技术及其交叉领域研究。
近年来，木质材料在材料界已经成为品种齐全、性能较广的材料体系，极大丰富了木材的使用领域。但随着全球森林资源日益匮乏以及由其所带来的环境和生态问题，特别是党的十八大提出建设生态文明理念以来，如何更好地利用和改善木材性能日益受到林业研究者的广泛关注。新三板（中密度纤维板MDF、定向刨花板OSB、华夫板）技术的日益成熟虽然在一定程度上缓解了对高强度木质材料的使用需求，但仍然不能彻底解决问题。在功能型复合材料广泛应用的今天，碳纤维因其具有高比强、高比模、耐蚀性、尺寸稳定等优良特性[1]，而成为人们首选的增强材料，碳纤维增强木质复合板的出现有效解决了传统木材制品的易腐朽、力学性能和尺寸稳定性差等问题，赋予木质材料良好的性能，具有良好的市场应用前景。
力学性能是表征材料特性与选择材料应用领域的基础性能，对其进行深入而综合的研究是实现复合材料工艺优化设计、提高宏观性能可靠性的重要基础研究内容之一。但传统的研究方法是通过不同的制作工艺首先进行样板的制作，然后在力学试验机上进行性能测试，若不满足材料的性能指标要求，就需要重新制板，既耗时又费力，最重要的是浪费木材资源。另一方面，该方法只是在宏观层面表征力学性能，若能将其模型化，以复合材料的微观结构来表达预测宏观性能，实现宏微观双尺度下的综合分析，将为木质复合板的高效研究提供良好途径。Suwatnodom[2]通过对非连续钢纤维增强混凝土复合材料建立三维微观力学损伤模型和纤维拔出模型研究了材料断裂韧性的影响因素，结果表明纤维的几何形状和体积分数对材料断裂韧性有重要影响，收到了预期效果。Ewart等[3]基于复合材料成分间局部界面粘连的假设提出了局部粘连微观力学模型来预测复合材料的弯曲模量，研究发现该种模型是实用的和准确的。Espinach等[4]研究了短切复合材料刚度的宏微观力学性能，结果表明通过赫希模型可以解决复合材料宏微观的力学性能问题。鉴于此，笔者对短切碳纤维增强木质复合板的宏微观力学表征模型进行研究，分别建立了有限元微观单胞模型和宏观实体几何模型，并在ANSYS12.0环境下进行了一阶模态的力学性能动力学分析，旨在为复合材料工艺优化与制备的模型化实现提供数字化依据。
1物理试验
1.1材料与方法
1.1.1材料。木纤维（主要来自杨木树种）、5 mm短切碳纤维、脲醛树脂胶黏剂、异氰酸树脂胶黏剂（使用时用丙酮将其稀释至50%）和氯化铵（作为固化剂）。
1.1.2样板制作。首先将碳纤维与稀释后的异氰酸树脂胶黏剂搅拌均匀，然后在搅拌机内放入木纤维，转动同时用喷胶管将混入氯化铵的脲醛树脂胶黏剂喷入搅拌机内，搅拌5 min，将混合材料铺装后放入预压机内进行预压，然后放入热压机内在175 ℃下热压7 min，即得到样板。样板尺寸为34 cm×32 cm×1 cm，样板的混合方式为体混合，混合比例分别为10%、20%、30%、40%和50%，另准备1块普通的中密度纤维板（MDF）作为对照板。
1.2力学性能测试结果与分析试验选取的力学性能指标包括静曲强度、静态弹性模量和动态弹性模量。力学性能指标的测量方法参照中华人民共和国国家标准GB/T11718-2009[5]执行。由表1和图1可知，碳纤维的加入大幅提高了木质材料的力学性能。在一定范围内，随着碳纤维含量的增加，静曲强度、静动态弹性模量呈现明显的上升趋势，但随后又有所下降。表明碳纤维的含量并不是越多越好，而是有一定的阈值，超过该值后，木质复合板的力学性能会随着碳纤维含量的增加而呈下降趋势。静曲强度的提高表明加入碳纤维后木质材料的抗弯曲能力大大提升，恰好弥补了木质材料尺寸稳定性差的问题。弹性模量是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，静、动态弹性模量的提高表明在相同应力作用下材料的应变减小，即材料的抗变形能力增强。
2基于有限元的碳纤维增强木质复合板宏微观模型建立
2.1SCFRW的微观单胞模型建立基于该试验所研究的问题是在理想条件下，故假设碳纤维与木纤维混合是均匀表1不同碳纤维含量样板力学性能测试结果MPa
版型静曲强度静态弹性模量F/M=1∶1031.714 442.72F/M=2∶1036.085 447.16F/M=3∶1026.833 521.82F/M=4∶1026.544 043.99F/M=5∶1022.762 838.10MDF22.732 498.64注：F.碳纤维质量，M.木纤维质量。
2.2SCFRW的宏观几何模型建立由于宏观建模步骤与微观类似，下面只简单说明参数的设置，Ansys环境下宏观几何模型创建结果见图3。同样选取SOLID72作为单元的类型，混合板的几何尺寸设置为长30 cm、宽5 cm、厚1 cm。
3.2SCFRW宏观几何模型的一阶模态分析同微观仿真，对宏观实体几何模型进行边界约束。设置模态提取数为5，模态扩展数为5，并设置其振动频率为1～10 Hz。Ansys环境下宏观几何模型模态仿真结果见图5和表3。
关键词 有限元建模；短切碳纤维增强木质复合板（SCFRW）；宏微观；模态分析；力学性能
中图分类号S784；TB332文献标识码A文章编号0517-6611（2014）30-10711-04
基金项目中央高校专项（DL12CB06）；高等学校博士学科专项（20120062120007）。
作者简介张冬妍（1976- ），女，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，从事系统建模与仿真、木材科学与技术及其交叉领域研究。
近年来，木质材料在材料界已经成为品种齐全、性能较广的材料体系，极大丰富了木材的使用领域。但随着全球森林资源日益匮乏以及由其所带来的环境和生态问题，特别是党的十八大提出建设生态文明理念以来，如何更好地利用和改善木材性能日益受到林业研究者的广泛关注。新三板（中密度纤维板MDF、定向刨花板OSB、华夫板）技术的日益成熟虽然在一定程度上缓解了对高强度木质材料的使用需求，但仍然不能彻底解决问题。在功能型复合材料广泛应用的今天，碳纤维因其具有高比强、高比模、耐蚀性、尺寸稳定等优良特性[1]，而成为人们首选的增强材料，碳纤维增强木质复合板的出现有效解决了传统木材制品的易腐朽、力学性能和尺寸稳定性差等问题，赋予木质材料良好的性能，具有良好的市场应用前景。
力学性能是表征材料特性与选择材料应用领域的基础性能，对其进行深入而综合的研究是实现复合材料工艺优化设计、提高宏观性能可靠性的重要基础研究内容之一。但传统的研究方法是通过不同的制作工艺首先进行样板的制作，然后在力学试验机上进行性能测试，若不满足材料的性能指标要求，就需要重新制板，既耗时又费力，最重要的是浪费木材资源。另一方面，该方法只是在宏观层面表征力学性能，若能将其模型化，以复合材料的微观结构来表达预测宏观性能，实现宏微观双尺度下的综合分析，将为木质复合板的高效研究提供良好途径。Suwatnodom[2]通过对非连续钢纤维增强混凝土复合材料建立三维微观力学损伤模型和纤维拔出模型研究了材料断裂韧性的影响因素，结果表明纤维的几何形状和体积分数对材料断裂韧性有重要影响，收到了预期效果。Ewart等[3]基于复合材料成分间局部界面粘连的假设提出了局部粘连微观力学模型来预测复合材料的弯曲模量，研究发现该种模型是实用的和准确的。Espinach等[4]研究了短切复合材料刚度的宏微观力学性能，结果表明通过赫希模型可以解决复合材料宏微观的力学性能问题。鉴于此，笔者对短切碳纤维增强木质复合板的宏微观力学表征模型进行研究，分别建立了有限元微观单胞模型和宏观实体几何模型，并在ANSYS12.0环境下进行了一阶模态的力学性能动力学分析，旨在为复合材料工艺优化与制备的模型化实现提供数字化依据。
1物理试验
1.1材料与方法
1.1.1材料。木纤维（主要来自杨木树种）、5 mm短切碳纤维、脲醛树脂胶黏剂、异氰酸树脂胶黏剂（使用时用丙酮将其稀释至50%）和氯化铵（作为固化剂）。
1.1.2样板制作。首先将碳纤维与稀释后的异氰酸树脂胶黏剂搅拌均匀，然后在搅拌机内放入木纤维，转动同时用喷胶管将混入氯化铵的脲醛树脂胶黏剂喷入搅拌机内，搅拌5 min，将混合材料铺装后放入预压机内进行预压，然后放入热压机内在175 ℃下热压7 min，即得到样板。样板尺寸为34 cm×32 cm×1 cm，样板的混合方式为体混合，混合比例分别为10%、20%、30%、40%和50%，另准备1块普通的中密度纤维板（MDF）作为对照板。
1.2力学性能测试结果与分析试验选取的力学性能指标包括静曲强度、静态弹性模量和动态弹性模量。力学性能指标的测量方法参照中华人民共和国国家标准GB/T11718-2009[5]执行。由表1和图1可知，碳纤维的加入大幅提高了木质材料的力学性能。在一定范围内，随着碳纤维含量的增加，静曲强度、静动态弹性模量呈现明显的上升趋势，但随后又有所下降。表明碳纤维的含量并不是越多越好，而是有一定的阈值，超过该值后，木质复合板的力学性能会随着碳纤维含量的增加而呈下降趋势。静曲强度的提高表明加入碳纤维后木质材料的抗弯曲能力大大提升，恰好弥补了木质材料尺寸稳定性差的问题。弹性模量是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，静、动态弹性模量的提高表明在相同应力作用下材料的应变减小，即材料的抗变形能力增强。
2基于有限元的碳纤维增强木质复合板宏微观模型建立
2.1SCFRW的微观单胞模型建立基于该试验所研究的问题是在理想条件下，故假设碳纤维与木纤维混合是均匀表1不同碳纤维含量样板力学性能测试结果MPa
版型静曲强度静态弹性模量F/M=1∶1031.714 442.72F/M=2∶1036.085 447.16F/M=3∶1026.833 521.82F/M=4∶1026.544 043.99F/M=5∶1022.762 838.10MDF22.732 498.64注：F.碳纤维质量，M.木纤维质量。
2.2SCFRW的宏观几何模型建立由于宏观建模步骤与微观类似，下面只简单说明参数的设置，Ansys环境下宏观几何模型创建结果见图3。同样选取SOLID72作为单元的类型，混合板的几何尺寸设置为长30 cm、宽5 cm、厚1 cm。
3.2SCFRW宏观几何模型的一阶模态分析同微观仿真，对宏观实体几何模型进行边界约束。设置模态提取数为5，模态扩展数为5，并设置其振动频率为1～10 Hz。Ansys环境下宏观几何模型模态仿真结果见图5和表3。