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Modeling bamboo as a functionally graded material

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AbstractNaturalfibersarepromisingforengineer-

ingapplicationsduetotheirlowcost.Theyare

abundantlyavailableintropicalandsubtropical

regionsoftheworld,andtheycanbeemployedas

constructionmaterials.Amongnaturalfibers,bamboo

hasbeenwidelyusedforhousingconstructionaround

theworld.Bambooisanoptimizedcompositethat

exploitstheconceptofFunctionallyGradedMaterial

(FGM).Biologicalstructuressuchasbamboohave

complicatedmicrostructuralshapesandmaterial

distribution,andthustheuseofnumericalmethods

suchasthefiniteelementmethod,andmultiscale

methodssuchashomogenization,canhelptofurther

understandingofthemechanicalbehaviorofthese

materials.Theobjectiveofthisworkistoexplore

techniquessuchasthefiniteelementmethodand

homogenizationtoinvestigatethestructuralbehavior

ofbamboo.Thefiniteelementformulationusesgra-

dedfiniteelementstocapturethevaryingmaterial

distributionthroughthebamboowall.Toobserve

bamboobehaviorunderappliedloads,simulationsare

conductedundermultipleconsiderationssuchas

aspatiallyvaryingYoung’smodulus,anaveragedYoung’smodulus,andorthotropicconstitutive

propertiesobtainedfromhomogenizationtheory.The

homogenizationprocedureuseseffective,axisymmet-

ricpropertiesestimatedfromthespatiallyvarying

bamboocomposite.Three-dimensionalmodelsof

bamboocellswerebuiltandsimulatedundertension,

torsion,andbendingloadcases.

Introduction

Biologicalsystemssuchasplantandtreestems,animal

bonesandotherbiologicalhardtissuestendtobe

optimizedfortheloadingconditionstheyaresubjected

to.Theirgeometrychangeswithloadingconditionsto

matchstress-orstrain-dependentrequirements,and

theirmaterialpropertiesarealsooptimallydistributed.

Forexample,theinteriorstructureofbonechanges

dependingontheprincipalstressdirectionsandthe

magnitudeofshearstresstheycarry[1].

Biologicalstructuresareusuallymadeofcomposite

materialswhicharemultifunctionalandhaveliving

organismswhichprovidesadaptability.Thisoccursdue

tothefactthatbiologicalsystemsmustbeableto

performavarietyoffunctionswell,andthus,theyare

optimizedformultifunctionalpurposes.Asaconse-

quence,biologicalstructuresarecomplicatedandnon-

uniform,whichmakestheirrealisticmodelingdifficult

andinvolved.

Amongbiologicalstructures,thenaturalfibersare

veryinterestingforengineeringapplicationsdueto

theirlowcostandconvenientavailability.Theygrow

abundantlyintropicalandsubtropicalregionsofthe

world,andtheycanbeusefullyemployedas

con-E.C.N.SilvaDepartmentofMechatronicsandMechanicalSystemsEngineering,EscolaPolite´cnicadaUniversidadedeSa˜oPaulo,Av.ProfessorMelloMoraes,2231,Sa˜oPaulo,SP05508-900,Brazil

M.C.WaltersÆG.H.Paulino(&)DepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign,NewmarkLaboratory,205NorthMathewsAvenue,Urbana,IL61801,USAe-mail:paulino@uiuc.eduJMaterSci(2006)41:6991–7004DOI10.1007/s10853-006-0232-3

123Modelingbambooasafunctionallygradedmaterial:lessons

fortheanalysisofaffordablematerials

Emı´lioCarlosNelliSilvaÆMatthewC.WaltersÆ

GlaucioH.Paulino

Publishedonline:16September2006ÓSpringerScience+BusinessMedia,LLC

2006structionmaterials[2–4].Examplesofnaturalfibers

arebamboo,coconutfibers,sisal,etc.Amongthe

naturalfibers,bamboofindswidespreaduseinhousing

constructionaroundtheworld,andisconsideredasa

promisinghousingmaterialinunderdevelopedand

developedcountries.Recently,somestudiesinvesti-

gatingcompositesmadeofbambooandconcrete[5]

andbambooandpolymer[6,7]havebeenconducted.

Bambooisatree-likeplant(seeFig.1(a))that

belongstothesubfamilyBambusoideaeofthegrass

familyPoaceae.Bamboostalksareoptimizedcom-

positematerialsthatnaturallyexploittheconceptof

FunctionallyGradedMaterials(FGMs)[1,9–13].Such

materialspossesscontinuouslygradedpropertiesand

arecharacterizedbyspatiallyvaryingmicrostructures

createdbynon-uniformdistributionsoftheconstitu-

entphases.Inthesematerials,theroleofreinforce-

mentandmatrix(base)materialinterchangesina

continuousmanner[14].Thesmoothvariationof

propertiesmayofferadvantagessuchasreductionof

stressconcentrationandincreasedbondingstrength

[15,16].

Thebambooculmisanapproximatelycylindrical

shellthatisdividedperiodicallybytransversaldia-phragmsatnodes.Between20%and30%ofthecross-

sectionalareaoftheculmismadeoflongitudinalfibers

thataredistributednon-uniformlythroughthewall

thickness,theconcentrationbeingmostdensenearthe

exterior(seeFig.1(b)).Theorientationofthesefibers

makesbambooanorthotropicmaterialwithhigh

strengthalong,andlowstrengthtransversaltofibers[5,

17,18].

Mostworkintheliteraturethatcharacterizes

bambooisexperimental,dedicatedtoestimating

strengthandstiffnessproperties[17–23].Fewworks

treatingthemodelingofnaturalfibershavebeen

foundintheliterature[24,25],andthesedealpri-

marilywithsimplifiedanalyticalmodels.Inthese

studies,comprehensiveexperimentalcharacterization

ofcertainspeciesofbamboowereperformedby

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氧化锆基金属陶瓷放电等离子烧结制备与性能研究

氧化锆基金属陶瓷放电等离子烧结制备与性能研究

氧化锆基金属陶瓷放电等离子烧结制备与性能研究

钟楠骞;曾凡浩;袁铁锤;李瑞迪

【摘 要】氧化锆陶瓷材料的脆性限制了其在某些领域的应用.文章首创在氧化锆粉末中加入316L不锈钢粉,通过放电等离子烧结制备氧化锆基金属陶瓷.试验通过不同的成分配比和不同的烧结温度进行对比研究,采用金相分析、XRD、SEM/EDS等测试方法,对材料的微观结构和宏观性能等进行了表征与分析.并通过断口分析,讨论了ZrO2 ·316L金属陶瓷的增韧机理.结果表明:采用放电等离子烧结制备出的材料随相组成的成分所占比例的改变,其致密度、弯曲强度、横向断裂强度、断裂韧性都随之呈现出相应的变化规律;316L相以片状均匀分布在氧化锆基体中,在材料断裂时起到了颗粒/纤维增韧的作用.同时氧化锆部分以亚稳相t-ZrO2的形态存在,也起到了相变增韧的作用.

【期刊名称】《湖南有色金属》

【年(卷),期】2015(031)002

【总页数】6页(P43-48)

【关键词】氧化锆;金属陶瓷;316L;放电等离子烧结;增韧机理

【作 者】钟楠骞;曾凡浩;袁铁锤;李瑞迪

【作者单位】中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南长沙410083

【正文语种】中 文 【中图分类】TF803.3

金属颗粒增强陶瓷基的金属陶瓷［1］复合材料综合了陶瓷的高刚度和金属的高塑性、高韧性的优点，是具有发展前途的复合材料之一。放电等离子烧结［2］是在加压过程中同时施加脉冲电流的一种烧结技术［3］。烧结过程中脉冲电流产生的等离子体有利于降低氧化锆陶瓷粉末［4］的烧结温度，同时低电压、高电流的特点，能使粉末快速烧结致密。本课题基于氧化锆陶瓷增韧［5］、拓宽其应用领域的目的，采用放电等离子烧结技术(SPS)［6］，拟添加金属相(316L不锈钢粉)以提高氧化锆陶瓷材料的强韧性，克服陶瓷脆性的缺点。在二氧化锆的马氏体相变［7］增韧机理［8］的基础上，引入颗粒/纤维增韧［9］的思路，主要研究不同的烧结温度、金属相成分与含量对烧结样品的组织、致密度、相结构和力学性能［10］等的影响规律。

原竹抱口梁柱节点抗弯性能研究

原竹抱口梁柱节点抗弯性能研究

林业工程学报，２０２４，９（１）：１５０－１５７ＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｏｒｅｓｔｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤＯＩ：１０．１３３６０／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－１３５９．２０２３０５０２７

收稿日期：２０２３－０５－３０ 修回日期：２０２３－０７－０２

基金项目：国家自然科学基金面上项目（５２１７８２２０）。

作者简介：李陶陶，男，研究方向为现代竹木结构。通信作者：郑晓燕，女，教授。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｘｙｚｈ＠ｎｊｆｕ．ｃｏｍ．ｃｎ原竹抱口梁柱节点抗弯性能研究

李陶陶１，郑晓燕１∗，陈国１，杨涛１，王文蹈１，２

（１．南京林业大学土木工程学院，南京２１００３７；２．南京林业大学生物质材料国家地方联合工程研究中心，南京２１００３７）

摘　要：竹材作为一种新型的绿色环保建筑材料，梁柱连接是现代竹结构推广需要考虑的重要问题。为了丰富

原竹节点的形式，探究不同构造措施下梁柱节点的刚度和承载力，设计制作了３种形式的原竹抱口梁柱连接节

点，按照金属连接件构造的不同命名为简易钢夹节点Ｊ１、贯通螺栓节点Ｊ２和自攻螺钉节点Ｊ３。每一种节点内部

依据不同原竹等级设计３组试件，通过单调加载试验，探究节点弯曲力学性能及破坏特征，得到了３种节点的弯

矩⁃转角曲线。基于弯矩⁃转角曲线变化特征，提出三折线刚度分析模型拟合节点分段刚度参数值，应用欧洲钢

结构规范节点类型判别方法，对节点的半刚性程度进行了验证。结果显示：贯通螺栓节点Ｊ２和简易钢夹节点Ｊ１

属于半刚性节点；自攻螺钉节点Ｊ３属于铰节点。研究表明：原竹等级对于简易钢夹节点Ｊ１和自攻螺钉节点Ｊ３

的抗弯性能影响不敏感；对于贯通螺栓节点Ｊ２的抗弯性能影响显著，等级为Ｔ８时与连接件的协同工作性能最

优。研究成果可为现代竹结构应用提供理论依据。

关键词：原竹节点；抱口梁柱；抗弯性能；半刚性；承载能力

中图分类号：Ｓ７８１．９ 文献标志码：Ａ 文章编号：２０９６－１３５９（２０２４）０１－０１５０－０８

Ｓｔｕｄｙｏｎｆｌｅｘｕｒａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｂａｍｂｏｏｂｒａｃｅｄｂｅａｍ⁃ｃｏｌｕｍｎｊｏｉｎｔｓ

重组竹的物理力学性能

重组竹的物理力学性能

Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2020, 9(8), 755-768

Published Online August 2020 in Hans. /journal/hjce https:///10.12677/hjce.2020.98080

文章引用: 王海达, 郏文博, 刘雁, 苏相宇. 重组竹的物理力学性能[J]. 土木工程, 2020, 9(8): 755-768.

DOI: 10.12677/hjce.2020.98080

Physical and Mechanical Properties of

Bamboo Scrimber

Haida Wang

1, Wenbo Jia

1, Yan Liu

1*, Xiangyu Su

2

1

College of Civil Engineering, Yangzhou University, Yangzhou Jiangsu

2

Management Committee of Shanghu Innovation Zone, Nantong Jiangsu

Received: Jul. 23rd

, 2020; accepted: Aug. 5th

, 2020; published: Aug. 12th

, 2020

Abstract Reorganized bamboo is a new material that has been developed and developed in China for nearly ten years and has good application prospects. However, it has not been widely used in the field of

building structure. The main reason is that the lack of reconstituted bamboo material meets the

生物酶改良膨胀土的动骨干曲线模型

生物酶改良膨胀土的动骨干曲线模型

第52卷第4期2021年4月中南大学学报(自然科学版)JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Vol.52No.4Apr.2021

生物酶改良膨胀土的动骨干曲线模型

文畅平1,2，任睆遐1,2

(1.中南林业科技大学土木工程学院，湖南长沙，410018；

2.中南林业科技大学现代木结构工程材制造及应用技术湖南省工程实验室，湖南长沙，410018)

摘要：基于Hardin-Drnevich双曲线本构模型，研究生物酶改良膨胀土的动应力−应变关系。首先通过一系

列不同生物酶掺量下的动三轴不固结不排水剪切试验，得到生物酶改良膨胀土的动骨干曲线；然后，根据

三轴试验结果，分别拟合最大动弹性模量Edmax、最大动应力σdmax、动骨干曲线切线变形模量Edt与生物酶掺

量z、围压σ3的回归方程；最后，基于Hardin-Drnevich模型，建立考虑生物酶掺量影响的动骨干曲线模型

以及动骨干曲线应力−应变归一化方程。研究结果表明：Hardin-Drnevich模型能很好地描述生物酶改良膨

胀土的动骨干曲线双曲线特性，最大动弹性模量Edmax、最大动应力σdmax、动骨干曲线切线变形模量Edt等的

回归方程能较好地描述其随生物酶掺量z、围压σ3的变化规律；最大动弹性模量Edmax、最大动应力σdmax、

动骨干曲线切线变形模量Edt随生物酶掺量z的增加、围压σ3的增大而呈非线性增大；最大动应力σdmax可作

为生物酶改良膨胀土的动骨干曲线应力−应变关系归一化因子，使动骨干曲线的线性化程度较高；引入的

生物酶掺量影响因子α0和α1可定量反映生物酶掺量z对Edmax，σdmax和Edt等的影响；生物酶掺量影响因子α2可定量反映生物酶掺量z对动应力σd的影响。

关键词：生物酶改良膨胀土；动骨干曲线模型；动应力−应变关系；动三轴试验

中图分类号：U416.1文献标志码：A

文章编号：1672-7207（2021）04-1109-09