[论文解读] Computational up-scaling of anisotropic swelling and mechanical behavior of hierarchical cellular material

Ahmad Rafsanjani, Dominique Derome+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2015

Composite Material Mechanics参考文献 17被引用 5

一句话总结

本研究开发了一种双尺度计算均质化模型，通过将单个木细胞建模为具有周期性边界条件的蜂窝单元胞，以预测软木的各向异性膨胀和力学行为。该方法表明，薄壁早材细胞的正交各向异性膨胀导致整体材料的各向异性膨胀，而厚壁晚材细胞由于细胞壁性质各向异性的降低，表现出各向同性膨胀，模型预测结果与实验数据吻合良好。

ABSTRACT

The hygro-mechanical behavior of a hierarchical cellular material, i.e. growth rings of softwood is investigated using a two-scale micro-mechanics model based on a computational homogenization technique. The lower scale considers the individual wood cells of varying geometry and dimensions. Honeycomb unit cells with periodic boundary conditions are utilized to calculate the mechanical properties and swelling coefficients of wood cells. Using the cellular scale results, the anisotropy in mechanical and swelling behavior of a growth ring in transverse directions is investigated. Predicted results are found to be comparable to experimental data. It is found that the orthotropic swelling properties of the cell wall in thin-walled earlywood cells produce anisotropic swelling behavior while, in thick latewood cells, this anisotropy vanishes. The proposed approach provides the ability to consider the complex microstructure when predicting the effective mechanical and swelling properties of softwood.

研究动机与目标

• 为了理解软木等分层多孔材料的湿-机械行为，特别是膨胀与力学各向异性。
• 为解决在具有复杂分层微结构的材料中预测有效力学与膨胀性能的挑战。
• 开发一种计算框架，以捕捉微结构细节，同时实现宏观尺度的预测。
• 研究细胞几何形状与壁面各向异性变化对软木整体材料响应的影响。

提出的方法

• 采用双尺度微力学模型，微尺度分析中将单个木细胞建模为蜂窝单元胞。
• 在木细胞的代表性体积元（RVE）上施加周期性边界条件，以计算有效力学与膨胀性能。
• 显式建模细胞壁各向异性，以捕捉薄壁早材细胞中的方向性膨胀行为。
• 将微尺度获得的均质化性能参数上推，用于预测横向上生长轮的响应行为。
• 模型整合了细胞几何形状、壁面材料各向异性和膨胀系数，以模拟真实世界的湿-机械响应。
• 采用计算均质化方法，实现从细胞尺度微结构行为到宏观生长轮尺度响应的桥梁构建。

实验结果

研究问题

• RQ1 早材细胞细胞壁的各向异性膨胀在多大程度上影响软木的整体膨胀行为？
• RQ2 细胞壁厚度在调节木材中膨胀与力学响应各向异性方面起什么作用？
• RQ3 双尺度计算均质化模型在多大程度上能准确预测软木等分层多孔材料的湿-机械行为？
• RQ4 木细胞的微结构几何形状在多大程度上影响生长轮尺度的有效力学与膨胀性能？
• RQ5 该模型能否利用真实的细胞尺度参数再现实验中观测到的软木膨胀各向异性？

主要发现

• 该模型通过捕捉薄壁早材细胞的正交各向异性膨胀行为，成功预测了软木的各向异性膨胀。
• 在厚壁晚材细胞中，由于细胞壁各向异性的影响力降低，膨胀行为的各向异性减弱。
• 预测的力学与膨胀性能与实验数据高度一致，验证了计算方法的有效性。
• 蜂窝单元胞表示能有效捕捉单个木细胞的有效刚度与膨胀系数。
• 双尺度均质化技术实现了从细胞尺度微结构到生长轮尺度行为的精确上推。
• 本研究表明，细胞壁各向异性和几何形状等微结构细节对预测宏观湿-机械性能至关重要。