植物材料（木、竹）断裂力学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

内容简介

《植物材料（木、竹）断裂力学》系统地阐述了植物材料（木、竹）的断裂破坏行为和强韧性机理，内容涉及木材构造的力学特征及应力应变关系、木材顺纹理断裂、木材横纹理断裂、木材裂尖应力场的有限元分析和开裂方向预测、木材损伤断裂过程的声发射特性分析与Felicity效应、竹结构的力学特征与组分力学性质、竹材的层间断裂性质以及竹材横向断裂的物理模型与能量吸收机制。
《植物材料（木、竹）断裂力学》可供材料科学与工程专业、木材科学与工程专业的本科生、研究生学习使用，也可供相关领域的研究人员、工程技术人员参考。

内页插图

目录

前言
第1章 绪论
1.1 断裂力学产生简史
1.2 材料力学与断裂力学
1.3 木材断裂力学及研究进展
1.3.1 对木质材料强度的预测
1.3.2 断裂力学结合声发射技术在分析木材裂纹扩展机制上的应用
1.3.3 国内在木材断裂力学领域的研究进展
1.3.4 竹材断裂性质的研究
1.4 本书的主要内容
参考文献

第2章 木材构造的力学特征及应力应变关系
2.1 木材构造的力学特征
2.2 固体材料的应力应变关系
2.3 工程弹性常数
2.4 木材的工程弹性常数
2.5 平面应力与平面应变的概念
2.5.1 等厚平板与平面应力
2.5.2 长柱体与平面应变
2.5.3 平面问题的应力应变关系
2.6 木材弹性系数的测定
2.6.1 电测法测试木材弹性系数简介
2.6.2 数字散斑相关方法测试木材弹性系数简介
2.6.3 弹性常数的限制
参考文献

第3章 木材顺纹理断裂
3.1 引言
3.2 线弹性断裂力学的原理
3.2.1 裂纹及特征
3.2.2 应力强度因子K及K准则
3.2.3 能量释放率G及G准则
3.2.4 K与G关系
3.3 各向异性材料断裂力学
3.4 线弹性断裂力学在木材中应用的特殊性
3.5 木材顺纹理断裂应力强度因子KIC
3.5.1 测试应力强度因子的基本方法
3.5.2 不同厚度下CT试件的KTLIC
3.5.3 不同裂纹长度下WOL试样的KTLIC
3.6 能量法测试木材顺纹断裂韧性GTLIC
3.6.1 试材与试样
3.6.2 DCB试验与结果
3.6.3 木材顺纹开裂能量释放率（GIC）与临界应力强度因子（KIC）的关系
3.7 应用分形理论研究木材顺纹理断裂
3.7.1 引言
3.7.2 分形原理
3.7.3 实验与分析
3.7.4 顺纹理断面分维数与断裂韧性的关系
3.8 木材顺纹理Ⅲ型断裂性质
3.8.1 引言
3.8.2 试材与方法
3.8.3 实验与结果
3.9 本章小结
参考文献

第4章 木材横纹理断裂
4.1 引言
4.2 木材横纹理裂纹尖端应力场分析
4.3 横纹理裂纹开裂方向
4.4 木材启裂时临界应力强度因子的测试
4.4.1 试材和测试方法
4.4.2 启裂断裂韧性KLTIC的测试与计算结果
4.5 横纹理裂纹对木材常规强度的影响
4.5.1 含垂直纹理裂纹时的抗弯强度
4.5.2 含垂直纹理裂纹时的冲击韧性
4.5.3 含垂直纹理裂纹时的顺纹抗拉强度
4.6 木梁Ⅰ型层裂和木胶合板弯曲脱层损伤中的应变能释放率
4.7 本章小结
参考文献

第5章 木材裂尖应力场的有限元分析和开裂方向预测
5.1 材料与方法
5.1.1 材料与基础数据
5.1.2 断裂分析模型
5.2 裂纹尖端应力场
5.2.1 Mises应力场
5.2.2 垂直和平行原裂纹面的σy、σx应力场
5.2.3 开裂方向预测
5.3 对木材界面强度与韧性的讨论
5.4 本章小结
参考文献

第6章 木材损伤断裂过程的声发射特性分析与Felicity效应
6.1 引言
6.2 木材损伤与木材细观损伤基本构元
6.3 材料、设备与方法
6.3.1 试材与试样
6.3.2 设备
6.3.3 AE研究方法
6.4 实验结果与分析
6.4.1 弯曲试验
6.4.2 产生纯Ⅰ型层间损伤的DCB试验与产生胞壁屈曲与塌溃损伤的压缩试验
6.4.3 木材不同损伤类型的声发射特征
6.5 Felicity效应
6.6 本章小结
参考文献

第7章 竹结构的力学特征与组分力学性质
7.1 引言
7.2 竹结构的力学特征
7.3 竹材组分的力学性质
7.3.1 混合律方法
7.3.2 单束纤维测试方法
7.3.3 拉伸破坏的断口分析
7.4 毛竹节间材与节部材的构造与强度差异研究
7.4.1 材料与方法
7.4.2 竹节与节间材的结构差异
7.4.3 竹节与节间材的强度差异
7.5 本章小结
参考文献

第8章 竹材的层间断裂性质
8.1 引言
8.2 竹材的Ⅰ型层裂性质
8.2.1 试验原理
8.2.2 试样与方法
8.2.3 结果与分析
8.2.4 Ⅰ型断面分析
8.3 竹材的Ⅱ型层间断裂
8.3.1 试验原理
8.3.2 试材与方法
8.3.3 结果与分析
8.4 本章小结
参考文献

第9章 竹材横向断裂的物理模型与能量吸收机制
9.1 引言
9.2 竹材横向断裂的特征
9.3 竹材韧性断裂的能量吸收机制
9.3.1 对增强体的力学简化
9.3.2 基本组织的变形和开裂
9.3.3 界面脱黏分离
9.3.4 纤维断裂及断后应力重新分布
9.3.5 竹纤维束抽拔
9.3.6 实例计算
9.4 横断面分析
9.5 本章小结
参考文献

前言/序言

植 物 材 料（木、竹）断 裂 力 学 本书简介 本书聚焦于自然界中两种重要可再生资源——木材与竹材——的断裂力学行为研究，旨在为木结构工程、竹结构工程、材料科学以及生物力学领域的研究人员、工程师和从业者提供一套系统、深入且实用的理论与实验指导。 第一部分：材料基础与结构特性 本书的开篇首先对木材和竹材的微观结构、宏观形态及其力学性能进行了详尽的阐述。木材作为一种典型的生物复合材料，其独特的横观各项异性（Anisotropy）是理解其断裂行为的关键。我们将详细剖析纤维素、半纤维素和木质素的分子结构如何影响细胞壁的力学响应，并深入探讨年轮结构、射线组织、纹理方向（如弦向、径向、轴向）对材料整体强度的制约。 竹材，作为一种独特的草本植物，其内部结构呈现出明显的管状中空特性。本书将系统梳理竹材的解剖学特征，包括竹壁的密度梯度、维管束的分布规律以及不同部位（竹竿下部、中部、上部）的力学差异。我们将基于这些结构特性，建立相应的力学模型，为后续的断裂分析奠定基础。 第二部分：断裂力学基本理论回顾与应用 在对材料特性有充分认识的基础上，本书第二部分将系统回顾经典的断裂力学理论，并着重探讨如何将其应用于各向异性、非均匀的植物材料。 我们首先会复习基于应力强度因子（Stress Intensity Factor, $K$）的线弹性断裂理论，包括裂纹尖端场的应力场解析。随后，重点转向韧性材料的断裂行为，如弹塑性断裂力学。我们将详细介绍弹性能量释放率（Strain Energy Release Rate, $G$）的概念，并阐述其在预测裂纹扩展中的核心作用。 针对木材和竹材的特殊性，本书将引入准静态断裂的概念，研究材料在缓慢加载或应力松弛条件下的裂纹萌生与扩展过程。我们还将探讨等效线弹性断裂参数（Equivalent Linear Elastic Fracture Parameters）的构建方法，以简化对复杂生物材料的分析。 第三部分：木材的断裂行为与建模 木材的断裂行为深受其水分状态和加载方向的影响。本书专门开辟章节深入探讨含湿量对断裂韧性的调制作用。木材的干燥收缩、吸湿膨胀会在材料内部引入残余应力，这些内部应力场将极大地影响裂纹扩展的路径和能量需求。 在木材断裂路径分析方面，我们将结合脆性断裂和韧性断裂的特点。脆性断裂通常沿着细胞壁或射线方向扩展，而韧性断裂则涉及纤维的拉伸、滑移和桥接效应。本书将采用相场（Phase-Field）方法和扩展有限元法（XFEM）来模拟木材内部裂纹的非线性扩展，特别是对纤维桥接作用（Fiber Bridging）和基体损伤（Matrix Damage）的有效捕捉。 针对工程应用，本书将详细介绍木材的层裂（Splitting）断裂问题，即平行于纹理方向的断裂模式。我们将基于Griffith理论和Irwin-Orowan模型，建立评估木材抗层裂能力的指标体系，并提供在结构设计中如何通过几何约束和连接设计来抑制层裂的实用建议。 第四部分：竹材的断裂特性与结构完整性 竹材作为一种具有高度等级结构的材料，其断裂行为比木材更为复杂。竹材的断裂常常是多尺度、多模式的耦合作用。 本书将系统分析竹材不同部位的断裂韧性差异，特别是竹节与竹坞（节间）之间的力学突变。我们将利用数字图像相关（DIC）技术和扫描电镜（SEM）对竹材断裂面进行高分辨率分析，揭示其内部管状结构在受力时如何发生屈曲、压溃和纤维拉伸。 对于竹结构件（如竹板、竹复合材料），竹材的断裂常表现为界面脱粘或纤维束的集中失效。本书将引入界面断裂力学（Interface Fracture Mechanics）的概念，分析竹材内部维管束与基体之间的粘结强度对整体断裂性能的影响。同时，针对工程中常见的竹材开裂问题，我们将探讨尺寸效应和预应力对竹材延展性和抗断裂性能的调控机制。 第五部分：实验技术与标准化评估 理论分析必须有可靠的实验数据支撑。本书的最后一部分将详细介绍植物材料断裂性能的测试方法。 我们将规范化木材和竹材的断裂韧性测试流程，包括标准的试样制备（如单边带缺口梁试样，SE(B)）和加载条件。重点介绍三点弯曲试验、四点弯曲试验以及双边缺口拉伸试验在评估不同加载模式下断裂韧性（$G_c$或$J$积分）中的应用。 此外，本书将介绍先进的无损检测技术，如超声波声发射（Acoustic Emission, AE）技术在监测木材和竹材内部微裂纹萌生和扩展过程中的应用，实现对结构健康状态的实时评估。通过对实验数据的可靠性分析和统计处理，本书为植物材料的断裂性能提供了一个可信赖的量化评估框架。 本书力求将深奥的断裂力学理论与丰富的植物材料工程实践相结合，为提升木结构和竹结构的长期安全性和耐久性提供坚实的理论和技术支撑。