《Composite Structures》：Residual stress development of self-shaped wood bilayers for curved cross-laminated timber elements
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本研究通过数值模拟与实验验证，分析了加速干燥条件下自我成型木材双层的残余应力分布，发现轴向残余应力接近设计强度但低于传统冷弯层板，而滚压剪切应力可能导致材料损伤并降低曲率精度，为结构设计提供了重要参考。
Mohsen Naghdinasab | Gerhard Dill-Langer | Philippe Gr?nquist
斯图加特大学，材料测试研究所，Pfaffenwaldring 4b，斯图加特，70569，德国
摘要
木材的自成形技术是一种新兴技术，为建筑领域提供了制造弯曲结构木构件的创新和可持续方法。该技术利用了木材在湿度变化时能够以可预测方式变形的天然特性，无需进行复杂的外部成型工艺。最近的建筑项目成功展示了自成形木双层结构作为承重弯曲层压木材（CLT）构件的应用。然而，关于自成形过程中产生的残余应力的分布和大小及其对结构设计的影响，目前仍缺乏可靠的信息。本研究采用先进的分析和数值建模方法，研究了木材双层结构成型过程的复杂力学特性，重点关注加速干燥条件下的残余应力发展。结果表明，自成形层板中的残余轴向应力可能接近结构木材的设计强度值，但仍低于传统冷弯弯曲层板的应力水平。此外，研究发现残余滚动剪切应力会在自成形过程中导致损伤，并降低预期的弯曲度。
引言
受生物启发的自成形材料正在材料科学领域带来新颖且变革性的发展，应用于建筑和建筑设计[1]、[2]。这些材料能够在外部刺激下自主变形，其应用范围从生物医学设备延伸到结构工程[3]、[4]、[5]。该领域的进展通常表现为实验和计算表征得出的理论见解与实际概念验证应用的紧密结合[6]、[7]。在过去二十年里，关于可编程微结构复合材料的研究极大地推动了智能自成形概念的发展，也将其应用于天然存在的木材[8]、[9]。Rüggeberg和Burgert[10]利用木材的吸湿特性，通过木贴面双层结构实现了受控变形。后续研究通过参数化建模和制造技术，进一步提高了对自成形木材双层结构的理论理解和工业应用性[11]、[12]、[13]。例如Urbach Tower[14]、[15]和Wangen Tower[16]等建筑项目，成功展示了这项技术在推动木材建筑行业向智能制造转型方面的潜力。在这些项目中，使用高含水量（MC）木材板通过交叉层压制成软木（挪威云杉）双层板，厚度范围为10至30毫米。随后这些双层板在21%至12%的含水量下干燥，在此过程中自动成形为所需的弯曲形状。最终形状由几何参数（如层厚度或纤维方向）和材料属性（如收缩系数或杨氏模量）控制[12]、[17]。多个弯曲双层板相互层压，并添加一层稳定层，从而制成具有所需厚度的完全形状稳定的弯曲CLT板，适用于大规模结构承重应用。
由于这些发展，加速工业干燥和成型过程（如在干燥窑中）变得尤为重要。在此过程中，木材会经历由水分、热和流变力学效应共同作用引起的复杂物理现象。除了干燥过程中的温度和湿度场及其梯度外，木材的机械吸附和粘弹性效应使得应力及应变的评估需要高级建模技术[18]、[19]、[20]。迄今为止，仅有少数研究能够探讨干燥过程中热量和水分传递及其对应力发展的影响[21]、[22]、[23]。然而，关于木材的相关湿度及温度依赖性材料参数以及长期效应（蠕变和松弛）的数据仍然不足，且这些现象通常无法在不做材料参数假设的情况下进行联合建模。此外，大多数关于标准木材产品干燥的研究主要集中在质量保证和实现均匀含水量方面[24]、[25]、[26]，而非应力及应变的发展以及潜在的干燥相关损伤[27]、[28]、[29]；因此，目前建模技术的应用范围和能力受到限制。特别是对于自成形木材双层结构的建模，尚未考虑加速干燥窑的条件，因为之前的研究仅关注速度较慢的自然空气干燥过程[30]。然而，木材的流变特性导致应变与速率相关，因此加速干燥会导致自成形过程中松弛时间缩短，从而增加残余应力。
在结构工程设计实践中，普遍认为应尽可能考虑现有的残余应力，例如将其与外部载荷引起的应力叠加、从材料抗力中扣除或作为设计强度的降低因素。因此，在加速干燥窑条件下可靠预测自成形木材双层结构中的残余应力对于结构安全至关重要，最终也关系到该技术及其作为弯曲结构木构件在建筑领域的推广和应用。事实上，根据大多数建筑法规，对于这类缺乏官方技术评估的新产品，通常需要对其质量和性能进行详细调查。因此，应详细检查对结构设计可能具有关键影响的残余应力成分，例如自成形过程中产生的轴向和剪切应力。
在本研究中，首先使用数值模拟计算了典型干燥窑过程中木材双层结构的3D湿度梯度。由于尚未解决水分和热量耦合以及机械蠕变现象的复杂性，采用加速干燥程序并设定自定义表面水分通量来简化干燥窑条件。然后利用计算得到的瞬态湿度场进行耦合水分-力学分析，参数化研究软木双层结构在自成形过程中的应力发展和变形。使用考虑时间和湿度依赖性效应（如粘弹性蠕变和机械吸附蠕变）的木材本构流变模型计算残余应力和应变[31]。本研究的目标是提供感兴趣的定量残余应力值，例如在干燥窑中自成形168小时后的纵向、横向以及纵向和横向层板中的滚动剪切应力，以及层板在松弛1000小时后的最终弯曲状态。随后将数值结果与基于层压理论的解析模型结果进行比较以进行验证。为了进行对比，还使用相同的数值模型计算了标准冷弯弯曲CLT层板的残余制造应力。通过扩展的有限元方法（XFEM）结合粘聚区模型（CZM），研究了材料强度可能超过导致的损伤传播对自成形程度的影响，例如自成形过程中横向层中的滚动剪切应力发展。最后，将研究结果总结为关于如何在结构应用中考虑所得残余纵向和剪切应力的建议。
数值模拟的流变材料模型
为了通过有限元方法（FEM）计算应力和应变，使用了ABAQUS FEA 2022软件中的经过验证的3D正交各向异性材料模型（UMAT）作为静态分析的材料子程序，该模型包含了所有瞬时和时间依赖的变形机制[31]。
干燥窑的数值模拟
图4展示了经过水分扩散分析（模拟干燥过程）后的双层结构截面最终轮廓以及模拟时间内含水量变化的情况。可以看出，加速干燥过程中获得的含水量及其梯度结果可以通过干燥窑过程中的实验测量结果进行有效验证，如图4b所示。
结论
本研究采用复杂的木材流变模型以及基于经典层压理论扩展版本的解析模型，研究了挪威云杉木材制成的自成形双层结构的残余应力发展。考虑到这些结构将用于智能制造的弯曲CLT应用，可以得出结论：被动层中的轴向应力低于传统冷弯层板的生产值。
CRediT作者贡献声明
Mohsen Naghdinasab：撰写初稿、进行形式分析、概念构思。Gerhard Dill-Langer：撰写、审稿与编辑、概念构思。Philippe Gr?nquist：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益和个人关系：Gerhard Dill-Langer与Landesgartenschau Wangen im Allg?u 2024 GmbH和Baden-Württemberg建筑技术机构存在关系，包括获得有偿专家咨询。Philippe Gr?nquist拥有专利#WO2019180006——“基于成型堆叠多层木材构件的制造方法”，该专利由EMPA EIDGEN?SSISCHE颁发。
致谢
作者感谢Landesgartenschau Wangen im Allg?u 2024 GmbH的支持（部分资金来自Zukunft Bau（联邦住房、城市发展和建设部-BBSR）），以及Deutsche Forschungsgemeinschaft（DFG，德国研究基金会）在德国卓越战略EXC 2120/1项目（项目编号390831618）下的支持，同时感谢Baden-Württemberg建筑技术机构在本项目批准（ZiE）框架内的资助。
