李繼承，張斌，謝若澤，鐘衛(wèi)洲

（1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900；2.工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動四川省重點實驗室，四川 綿陽 621900）

沖擊和碰撞現(xiàn)象廣泛存在于生產(chǎn)和生活當(dāng)中，如 設(shè)備在運輸、遷移等過程中的跌落以及其他異常環(huán)境沖擊現(xiàn)象。沖擊作用容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和材料的損傷破壞，因此，設(shè)計高效的緩沖防護(hù)結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。從能量吸收角度看，沖擊能量應(yīng)該耗散于防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)中，且能量吸收過程應(yīng)以緩和的方式進(jìn)行[1-2]。近年來，多孔材料在緩沖防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到越來越多的應(yīng)用。多孔材料廣泛存在于自然界中，同時人造多孔材料也得到快速發(fā)展，主要有3種典型結(jié)構(gòu)：蜂窩材料、開孔泡沫材料和閉孔泡沫材料[3-5]。天然木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征為蜂窩結(jié)構(gòu)特性，其中軟木材料得到最廣泛使用。特別是木材防護(hù)結(jié)構(gòu)，除具有緩沖吸能作用外，還具有良好的隔熱能力，因此在工程應(yīng)用中具有其余金屬多孔材料難以企及的優(yōu)勢[6-9]。

軟木材料的力學(xué)行為和吸能特性與其變形和破壞特征密切相關(guān)，且具有顯著的各向異性特征，其順紋（加載方向平行于胞孔面）和橫紋（加載方向垂直于胞孔面）的力學(xué)性能顯著不同[3]。目前針對天然木材力學(xué)性能的研究顯著少于人造蜂窩材料。在研究方法方面，試驗研究是理論分析和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，也是目前最主要的研究手段，包括宏觀觀測和微細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析等。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真也得到廣泛應(yīng)用，其中有限元模擬可成為試驗研究的良好補充。此外，國內(nèi)外研究者也一直在開展相關(guān)理論建模工作，并已取得有意義的成果，但仍然缺乏系統(tǒng)性。

文中基于重大裝備包裝防護(hù)結(jié)構(gòu)沖擊安全評估和預(yù)測的工程應(yīng)用背景，針對軟木材料力學(xué)行為及其緩沖吸能特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。緩沖吸能特性主要與木材屈服應(yīng)力、平臺應(yīng)力區(qū)間長度等力學(xué)性能相關(guān)，其中應(yīng)力幅值體現(xiàn)木材的緩沖能力，而應(yīng)力-應(yīng)變曲線包絡(luò)面積則決定木材的吸能特征。因此，文中將主要闡述軟木材料力學(xué)性能方面的研究進(jìn)展，包括試驗研究、數(shù)值仿真和理論建模等方面，并結(jié)合相關(guān)進(jìn)展給出未來工作的一些展望。

1 力學(xué)性能影響因素

軟木材料包括多類樹種[10-12]，其力學(xué)性能主要包括彈性模量、泊松比、屈服強度、抗拉強度、抗壓強度、抗彎強度、硬度、剛度和沖擊韌性等方面。木材的內(nèi)部微結(jié)構(gòu)具有各項異性特征，如圖1所示[13]，在軸向、徑向和弦向3個方向上的微觀組織存在明顯差異。內(nèi)部結(jié)構(gòu)在宏觀上呈同心圓狀年輪的層次形狀，并具有縱向和橫向組織，其中大多數(shù)細(xì)胞和組織呈軸向排列，射線組織呈徑向排列，如圖2a所示[14]。相應(yīng)地，木材力學(xué)性能也呈現(xiàn)各向異性特征。例如在強度方面，木材的壓縮、拉伸、彎曲及沖擊韌性等均在軸向取得最大值，隨著應(yīng)力與木材纖維方向之間的夾角變大而減小，如圖2b所示[15]。

另外，木材的力學(xué)性能還受到包括生長地域在內(nèi)的多方面因素的影響，不同因素的主要影響大致如下。

1）密度。木材密度是決定其強度和剛度的物質(zhì)基礎(chǔ)。一般來說，密度越大，木材的彈性模量越大，強度和剛度越高，韌性也越優(yōu)良。

圖1 軟木材料典型微細(xì)觀結(jié)構(gòu)形貌[13]Fig.1 Typical microstrucuture of soft wood[13]

圖2 木材內(nèi)部不同方向微結(jié)構(gòu)特征和應(yīng)力方向夾角示意圖Fig.2 Microstructures of wood in different directions and directional scheme of intercepting wood: a) microstructures of wood in different directions[14]; b) directional scheme of intercepting wood[15]

2）含水率。木材內(nèi)部單位體積纖維素和木素分子的數(shù)目減少時，分子間的結(jié)合力將會減弱。因此，含水率增加時，木材的強度將逐漸降低。當(dāng)含水率高于纖維飽和點時，強度不再隨自由水含量的增加而減小，而是基本保持恒定。

3）溫度。溫度對木材力學(xué)性能影響比較復(fù)雜。一般來說，在室溫范圍內(nèi)的影響相對較小，而在高溫和極端低溫條件下，影響則較顯著。溫度的變化將導(dǎo)致木材含水率及其分布產(chǎn)生變化，同時還使得木材內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力和干燥缺陷等?？傮w來說，溫度升高常引起木材強度下降，其沖擊韌性也將發(fā)生顯著削弱。

4）木材構(gòu)造與缺陷。同一樹種的早材與晚材其力學(xué)性能存在差異，木材的年輪寬度、木材內(nèi)部的節(jié)子等也具有影響。另外，濕材在氣干過程中還容易發(fā)生開裂和撓曲等干燥缺陷。一般來說，早材密度小于晚材，其彈性模量、強度和剛度等也相對較弱。若木材內(nèi)部有節(jié)子，受外力作用時，節(jié)子及其周圍區(qū)域?qū)a(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而弱化木材彈性模量。此外，干燥缺陷也容易使得木材力學(xué)性能弱化。

5）服役時間。木材在服役過程中其材質(zhì)也將逐漸發(fā)生老化，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)和相應(yīng)力學(xué)性能發(fā)生退化，可用耐久性來衡量服役時間的影響。

2 試驗研究

針對軟木材料的力學(xué)性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了眾多卓有成效的試驗研究。在產(chǎn)品和建筑等領(lǐng)域，主要側(cè)重于準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能、抗彎性能、耐久性和溫/濕度環(huán)境下力學(xué)行為變化等方面，通過實驗測試獲取木材的基本力學(xué)性能參數(shù)和環(huán)境適應(yīng)能力[1-3,13,16-21]；在包裝結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計中，則主要關(guān)心木材在中高應(yīng)變率下的沖擊性能、能量耗散特性、力學(xué)性能應(yīng)變率敏感性和各向異性特征等[1-3,14-15,22-31]。在試驗宏觀觀測方面，一般采用材料試驗機測試準(zhǔn)靜態(tài)和低應(yīng)變率力學(xué)性能和失效行為，采用中應(yīng)變率加載設(shè)備開展中應(yīng)變率拉壓試驗，運用Hopkinson設(shè)備測試材料高應(yīng)變率條件下的力學(xué)性能[1-3,13-31]。試驗前后常對試件開展微細(xì)觀結(jié)構(gòu)檢測和分析，一般通過掃描電鏡觀察木材胞元結(jié)構(gòu)尺寸、排列分布在試驗前后的變化特征[13,32-41]。以下將對宏觀觀測和微細(xì)觀分析兩方面展開闡述。

2.1 宏觀觀測

美國能源部對不同樹種木材開展了系統(tǒng)的力學(xué)性能試驗，并進(jìn)行了分析和整理，共涉及密度、體積收縮率、彎曲強度、壓縮強度、硬度、剛度、沖擊韌性、干燥松弛、加工難易程度和耐久性等方面[10]，相應(yīng)的力學(xué)性能指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)見表1，在該分級標(biāo)準(zhǔn)條件下，幾種典型軟木材料的指標(biāo)取值見表2。相對來說，國內(nèi)目前還未見正式出版的類似研究報告，相關(guān)資料主要為學(xué)位論文和期刊文章[42]，研究數(shù)據(jù)也較為零散。

表1 美國木材力學(xué)性能指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)[10]Tab.1 Classification standard for mechanical properties of American wood[10]

表2 典型軟木材料力學(xué)性能指標(biāo)[10]Tab.2 Mechanical properties of typical soft woods[10]

研究者也分析了不同木材在力學(xué)試驗中的具體響應(yīng)特征[1-3,13-31]，其中中國工程物理研究院總體工程研究所對云杉材料的力學(xué)性能開展了系統(tǒng)研究，包括準(zhǔn)靜態(tài)直至高應(yīng)變率范圍內(nèi)的變形條件[8-9,14-15,29-31]。云杉在不同方向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線和破壞形貌如圖3所示[14]?？梢钥闯?，響應(yīng)曲線均主要包括3個階段：彈性階段、穩(wěn)定塑性變形階段和密實變形階段。在徑向和弦向加載條件下，穩(wěn)定塑性變形階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出較長的近似平臺應(yīng)力區(qū)間，待進(jìn)入密實變形階段后，應(yīng)力急劇升高；而在軸向加載條件下，變形和破壞形貌同前兩種情形顯著不同，盡管應(yīng)力-應(yīng)變曲線也顯示出一定平臺應(yīng)力特征，但應(yīng)力幅值大幅提高，且呈現(xiàn)波動特征。圖4進(jìn)一步給出了不同種類軟木材料的準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線[24]?？梢钥闯?，不同樹種材料也呈現(xiàn)相似響應(yīng)特性，且均表現(xiàn)出顯著的各項異性特征。

圖3 云杉在不同方向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[14]Fig.3 Stress-strain response of spruce under the quasi-staic compression with different orientations[14]

圖4 不同樹種軟木材料的準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線[24]Fig.4 Quasi-static uniaxial compressive stress-strain curves corresponding to different woods: a) axial orientation; b) radial orientation[24]

研究還表明，隨著加載應(yīng)變率的增大，軟木材料的變形模式逐漸發(fā)生改變，應(yīng)力幅值也有所提高，呈現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)[14-15,26-31]。云杉在不同應(yīng)變率和不同加載方向條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及不同方向壓縮屈服強度隨應(yīng)變率的變化規(guī)律如圖5所示[15]。可以看出，隨著應(yīng)變率的增大，應(yīng)力幅值逐漸升高，且不同加載方向之間的應(yīng)力幅值差異較準(zhǔn)靜態(tài)變形情形更為明顯。特別是在軸向加載條件下，還顯示出極高的初始應(yīng)力峰值。

圖5 云杉在不同應(yīng)變率和不同加載方向條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[15]Fig.5 Stress-strain curves of spruce subjected to different strain rates and loading direction conditions: a) radial orientation; b)axial orientation[15]

試驗觀測還發(fā)現(xiàn)，隨著加載方向由順紋朝橫紋徑（弦）向變化，材料的屈服強度逐漸減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑性流動段由“塑性軟化”向“塑性硬化”轉(zhuǎn)變，屈服強度仍然表現(xiàn)出較強應(yīng)變率敏感性[15]。此外，宏觀破壞模式也逐漸發(fā)生變化。不同方向壓縮條件下，云杉試件的破壞形貌如圖6所示[15]?？梢钥闯?，沿順紋方向加載時，試件中部向外膨脹，產(chǎn)生褶皺，纖維屈曲折斷；當(dāng)載荷方向與順紋夾角增大時，材料的失效模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟静睦w維分層滑移、撕裂。由此可知，軟木材料在斜加載條件下呈現(xiàn)出復(fù)雜的壓剪復(fù)合變形和破壞行為。

圖6 不同方向壓縮條件下云杉試件破壞形貌[15]Fig.6 Compressive failure morphologies of spruce specimens under different loading orientations[15]

2.2 微細(xì)觀分析

材料宏觀力學(xué)性能與其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征密切相關(guān)。軟木材料中，由于樹種、含水率和內(nèi)部幾何缺陷等因素，導(dǎo)致其變形和破壞模式較為復(fù)雜。因此，研究宏觀力學(xué)性能與材料微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)系具有重大意義。

近年來，國內(nèi)外研究者針對材料宏觀力學(xué)性能與微觀組織成分、結(jié)構(gòu)排列的關(guān)系，采用宏觀力學(xué)性能實驗測試與微結(jié)構(gòu)顯微觀察相結(jié)合的方法進(jìn)行了大量研究[13,32-40]，進(jìn)而更為深入地討論了不同內(nèi)外部因素的影響機制，包括加載方式（準(zhǔn)靜態(tài)、蠕變和疲勞加載）[36]、木質(zhì)素含量和水分[37]、具體微觀結(jié)構(gòu)[32-35,38-40]等。杉木在不同方向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及相應(yīng)加載時刻的材料微結(jié)構(gòu)形貌如圖7所示[3]?？梢钥闯?，宏觀力學(xué)響應(yīng)特征為材料微結(jié)構(gòu)變形和破壞的綜合表現(xiàn)。隨著測試技術(shù)的發(fā)展，目前還可觀察材料三維微結(jié)構(gòu)形貌特征[39-40]。木材實際微觀結(jié)構(gòu)的三維掃描圖像結(jié)果如圖8所示[39]，可看出掃描技術(shù)能夠較好地再現(xiàn)材料的實際結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，這對于研究材料內(nèi)部幾何缺陷等因素的影響將具有很好的促進(jìn)作用。相對來說，對于軟木材料動態(tài)力學(xué)試驗，要觀測加載過程中的微結(jié)構(gòu)變化歷程仍然具有較大挑戰(zhàn)性，目前還未見相關(guān)公開報道，仍然局限于對試驗之后試件破壞形貌的微細(xì)觀檢測[14,30]。

3 數(shù)值仿真分析

隨著計算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真手段在針對木材力學(xué)行為的研究中也逐漸得到廣泛應(yīng)用[8-9,14,30,43-56]。有限元模擬可獲得詳細(xì)的變形和破壞歷程，并可得到應(yīng)力、應(yīng)變等內(nèi)變量的演變過程，還可系統(tǒng)地討論材料結(jié)構(gòu)特征和載荷條件等不同內(nèi)外部因素對材料力學(xué)性能的影響，成為試驗研究的良好補充。目前的有限元仿真主要有宏觀和細(xì)觀模擬2種方式，其中宏觀模擬主要在于構(gòu)建合理的本構(gòu)模型，而細(xì)觀模擬主要取決于能體現(xiàn)材料實際微結(jié)構(gòu)特性的幾何模型。

3.1 宏觀本構(gòu)模型

工程數(shù)值分析中，針對木材本構(gòu)模型常直接沿用實驗所測得的真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線[8-9]，盡管也可獲得與實驗現(xiàn)象較為一致的模擬結(jié)果，但難以針對相關(guān)機理開展深入分析。初期宏觀本構(gòu)模型相對簡單，在將木材簡化為均質(zhì)材料的前提下，建立相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式，涉及木材的彈塑性變形[43-45]、疲勞[49]、蠕變[46]和斷裂行為[47-49]等，但相關(guān)表達(dá)式均相對簡單。后期發(fā)展過程中，本構(gòu)模型也逐漸涉及木材變形和破壞的微觀機制[50-52]，并逐步擴展到包含宏觀因素和微觀參量的多尺度本構(gòu)模型[53-55]。盡管如此，基于本構(gòu)模型的宏觀有限元模擬較難準(zhǔn)確刻畫木材宏觀力學(xué)行為與微細(xì)觀變形和破壞之間的關(guān)聯(lián)。

圖7 杉木在不同方向準(zhǔn)靜態(tài)壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及相應(yīng)微結(jié)構(gòu)變形和破壞形貌[3]Fig.7 Stress-strain curves as well as deformation and failure morphologies of spruce under the quasi-static compresson with with different loading orientations: a) radial orientation; b) tangential orientation; c) axial orientation[3]

圖8 杉木材料微結(jié)構(gòu)的三維掃描圖像[39]Fig.8 3D reconstruction for microstructure of spruce[39]

3.2 細(xì)觀有限元模擬

為更好地探討軟木材料宏觀力學(xué)特性與微細(xì)觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)，近年來，研究者逐步開展了細(xì)觀模擬分析，甚至多尺度有限元分析[14,30,56]。如上所述，天然木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)蜂窩結(jié)構(gòu)特性，相應(yīng)微結(jié)構(gòu)示意如圖9所示[3]。另外，考慮到橫紋徑向與弦向的力學(xué)性能基本相似，可將微結(jié)構(gòu)胞孔近似為正六邊形，進(jìn)而建立相應(yīng)的代表體積元模型，如圖10所示[14,30]，模型中忽略孔壁上的紋孔。

細(xì)觀有限元模擬可獲得不同加載方向下的應(yīng)力平臺形狀和材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)失效模式，其中橫紋準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形形貌的細(xì)觀有限元模擬結(jié)果與試驗觀測結(jié)果的對比如圖11所示[56]，兩者符合較好。此外，還可在數(shù)值仿真中改變加載速率和加載方向等，對軟木材料的大變形行為進(jìn)行模擬和預(yù)測。云杉材料在500 m/s范圍內(nèi)不同速度順紋、橫紋壓縮條件下的變形和破壞情況如圖12和13所示[14]。可以看出，順紋壓縮的主要失效模式為剪切滑移和屈曲塌陷，而橫紋壓縮則體現(xiàn)為胞墻褶皺和循序塌陷。同時，加載速率對順紋壓縮特性的影響高于橫紋壓縮情形，低速加載條件下，木材的變形也相對更均勻和平穩(wěn)。然而，目前細(xì)觀模擬主要基于均勻胞孔構(gòu)型假設(shè)，且未考慮材料的幾何缺陷，因此難以完全體現(xiàn)天然木材的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，有必要進(jìn)一步結(jié)合真實細(xì)觀結(jié)構(gòu)開展研究。

圖9 天然木材微結(jié)構(gòu)示意[3]Fig.9 Sketch of microstructure in natural wood[3]

圖10 細(xì)觀有限元模擬代表體積元模型[14]Fig.10 Representative volume model in the mesoscale finite element method (FEM) simulation[14]

圖11 軟木材料橫紋準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形形貌試驗觀測結(jié)果和細(xì)觀有限元模擬結(jié)果[56]Fig.11 Experiment result and mesoscale finite element method (FEM) simulation result for the deformation morphology of soft wood under quasi-static compression with radial orientation[56]: a) experiment result; b) simulation result

圖12 不同速度順紋壓縮條件下云杉破壞形貌細(xì)觀有限元模擬結(jié)果[14]Fig.12 Breaking morphologies of spruce under compresson with axial orientation at different loading velocities[14]

圖13 不同速度橫紋壓縮條件下云杉破壞形貌細(xì)觀有限元模擬結(jié)果[14]Fig.13 Breaking morphologies of spruce under compresson with radial orientation at different loading velocities[14]

4 理論建模

在軟木材料力學(xué)行為理論分析方面，國內(nèi)外研究也取得有意義的進(jìn)展，但相關(guān)工作多為以實驗為基礎(chǔ)的唯象研究，仍缺乏可以準(zhǔn)確描述材料力學(xué)性能的理論體系。

4.1 屈曲和塌陷變形

針對云杉等軟木材料靜、動態(tài)變形和破壞特性的分析發(fā)現(xiàn)，木材耗散能量的主要方式為纖維間的脫離和相對滑移[29]。在順紋壓縮條件下，纖維胞壁通常發(fā)生屈曲失效，因此可將單個木材胞元簡化為圓筒結(jié)構(gòu)來分析其屈曲行為。胞元結(jié)構(gòu)在軸向壓縮條件下的內(nèi)外褶皺力學(xué)模型如圖14a所示[29]，結(jié)合其中塑性鉸的彎曲塑性能和材料塑性變形能理論公式，可推導(dǎo)出木材胞元結(jié)構(gòu)完全內(nèi)褶皺和外褶皺屈曲時的平均外力，其大小由材料屈服應(yīng)力、胞元結(jié)構(gòu)尺寸和褶皺半長決定。相對應(yīng)地，在橫紋壓縮條件下，可視為正六邊形木材胞元堆砌結(jié)構(gòu)承受橫向載荷。相應(yīng)單胞結(jié)構(gòu)壓縮前后的變形情況如圖14b所示[29]，結(jié)合其中塑性鉸彎曲耗散能和胞壁壓縮塑性變形能的理論公式，可推導(dǎo)得到單個木材胞元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生完全壓縮情況時的平均外力，其大小也取決于胞元材料屈服應(yīng)力、胞元結(jié)構(gòu)壁厚度及長度參量等。

4.2 空間屈服面

對于軟木材料在不同加載方向下的屈服強度準(zhǔn)則，可借鑒Hill各向異性材料強度準(zhǔn)則來描述其空間屈服面，其中忽略剪應(yīng)力對材料初始屈服的影響。依據(jù)該強度準(zhǔn)則，可繪制得到不同應(yīng)變率下的空間屈服面和相應(yīng)“π”平面投影圖示，如圖15所示[15]。其中“π”平面為主應(yīng)力空間內(nèi)通過坐標(biāo)原點，且以3個主應(yīng)力相等的等傾線為外法線的平面，“π”平面上橢圓環(huán)內(nèi)徑為屈服面的投影?？梢钥闯觯捎谲浤静牧享樇y強度遠(yuǎn)高于橫紋徑/弦向強度，在不同應(yīng)變率條件下的空間屈服面均為橢圓柱面，且其尺寸隨著應(yīng)變率的增加而增大。

圖14 木材順紋和橫紋壓縮變形理論模型[29]Fig.14 Sketch of theoretical models for the deformation in wood under compression: a) cylinder failure model with axial orientation; b) single cell model with radial orientation[29]

圖15 不同應(yīng)變率條件下云杉木材的壓縮屈服面[15]Fig.15 Compressive yielding surface of spruce corresponding to different strain rates: a) quasi-static condition; b) 300 s-1 strain rate[15]

5 結(jié)語

軟木材料廣泛應(yīng)用于緩沖防護(hù)結(jié)構(gòu)中，其力學(xué)行為和相應(yīng)緩沖吸能特性與多種內(nèi)外部因素密切相關(guān)。文中從試驗觀測、數(shù)值仿真和理論建模等多個方面，綜述了軟木材料力學(xué)行為及其緩沖吸能特性方面的研究進(jìn)展。通過相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研，筆者認(rèn)為，目前關(guān)于軟木材料力學(xué)性能的研究中尚存在動態(tài)試驗觀察和測試精度較低、細(xì)觀仿真模型難以完全體現(xiàn)天然木材微結(jié)構(gòu)特征、理論模型局限于唯象研究并缺乏系統(tǒng)性等方面的不足。今后有必要加強以下方面的研究工作。

1）發(fā)展試驗技術(shù)，尤其是動態(tài)試驗中觀察和測試系統(tǒng)的改進(jìn)，以期能得到材料變形過程中內(nèi)部細(xì)觀變形和微裂紋形核及擴展全過程的清晰物理圖像，這對相應(yīng)的理論研究至關(guān)重要。

2）開展軟木材料在不同加載方向、加載速率條件下的更多試驗研究，以期更為全面和準(zhǔn)確地分析材料力學(xué)行為的各向異性特征和應(yīng)變率效應(yīng)等。

3）發(fā)展從微細(xì)觀尺度到宏觀尺度的變形和破壞機理研究，探索材料宏觀力學(xué)行為與微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征之間的關(guān)聯(lián)，研究樹種材質(zhì)、胞孔構(gòu)型和結(jié)構(gòu)缺陷等內(nèi)外部因素對變形和破壞行為的具體影響。

4）發(fā)展有限元建模技術(shù)，包括多尺度耦合材料本構(gòu)模型、細(xì)觀有限元幾何模型中的界面處理方法和隨機結(jié)構(gòu)缺陷構(gòu)建方法等，以便實現(xiàn)更為符合實際材料變形特征的有限元仿真。