Budapest University of Technology and EconomicsFaculty of Civil Engineering - Since 1782

A fa egy természetes, inhomogén és erősen anizotrop kompozit anyag, komplex belső összetétellel. A faanyag szerkezetének átfogó leírása a hierarchia nano-, mikro-, mezo- és makroszintjeit öleli fel, az anyag összetételét vizsgálva a cellulóz mikroszálaktól a sejteken és az évgyűrűkön át a makroszintű jellemzőkig. A fa szerkezeti rugalmassági és szilárdsági tulajdonságai köztudottan széles skálán szóródnak az anyag szerves eredete miatt. Ismert, hogy makroszinten az évgyűrűk összetétele mellett a modellezés során figyelembe kell venni a rostirányok csomók közelében lévő változását és a makroszkopikus jellemzőket, például a sérüléseket és a száradási repedéseket. A modellezés alacsonyabb szintjein az alkotóelemek geometriai szabálytalanságai befolyásolják az összetételek kialakuló tulajdonságait.

A többléptékű modellezés elsődleges célja, hogy jó becslést adjon az egyes szinteken kialakuló tulajdonságokról homogenizációs technikák, egyszerűsített szabályok vagy részletes numerikus modellezés segítségével. A szerkezeti mechanikai vizsgálatokban a rugalmassági és szilárdsági tulajdonságok kiemelkedő fontosságúak a szerkezeti léptékű viselkedés becslése céljából. Bár jelentős előrelépések történtek a többléptékű modellezésben, amelyeket gyakran végeselemes számítások vagy kísérletek támasztanak alá, az alkalmazott egyszerűsítő feltételezések és a bemeneti adatok nagy szórása további fejlesztést indokol számos területen.

A kutatás célja az anyag- és geometriai tulajdonságok mezoszintű hatásának meghatározása a nagyobb léptékű tulajdonságokra, figyelembe véve a sejtek és az évgyűrűk jellemzőit a modellezésben. A bemeneti paraméterek véletlen változóknak tekinthetők, amelyeket sztochasztikus modellekbe kell építeni. Az adatokat famintákon végzett mérésekből kell nyerni, elsősorban, de nem kizárólagosan a lucfenyőre vonatkozóan. Minden szinten a rendelkezésre álló meglévő modellezési technikákat felül kell vizsgálni és ennek megfelelően fejleszteni vagy lecserélni, lehetőség szerint elhagyva az egyszerűsítő feltételezéseket. Továbbá hatékony és egyszerűen megvalósítható modelleket kell létrehozni.

A kutatási projekt a következő feladatok elvégzését igényli: a releváns tulajdonságok széles skáláját magában foglaló faminták előkészítése és elektron- és optikai mikroszkópos mérések elvégzése, a tulajdonságok sztochasztikus modelljeinek létrehozása, új analitikus vagy numerikus modellek fejlesztése vagy meglévők továbbfejlesztése a bemeneti paraméterek véletlenszerű eloszlásának beépítése érdekében, szükség esetén végeselemes validációval, megbízhatósági elemzés elvégzése a szerkezeti tulajdonságok bemeneti változóktól való függésének megállapítására, összehasonlítások a meglévő mérési adatokkal. A feladatok terjedelme (pl. az érintett fajok) az elérhetőségtől és a mérések feltételeitől függ.

***

Wood is a natural, inhomogeneous and strongly anisotropic composite material with a complex internal composition. A comprehensive description of wood structure spans nano, micro, meso, and macro levels of the hierarchy, addressing the composition of the material from cellulose microfibrils through cells and growth rings to macroscale features. Structural elastic and strength properties are well-known to show wide scattering owing to the organic nature of wood. It is known that at the macro scale, in addition to annual growth ring composition, fibre inclinations near knots and macroscopic features like cracks and checks must be accounted for in modelling. At lower levels of modelling, geometric irregularities of the constituents affect the emerging properties of the compositions.

The primary goal of multiscale modelling is to give good estimations of emerging properties at each level using homogenisation techniques, simplified rules or detailed numerical modelling. In structural mechanics investigations the elastic and strength properties are of utmost importance, with the aim to estimate performance on the structural scale. Though significant advancement is achieved in multiscale modelling, often supported by finite element calculations or experiments, applied simplifying assumptions and the wide scattering of input data warrant further improvement in several areas.

The goal of this research is to determine the effect of the material and geometric properties at the mesoscale on the bulk properties incorporating the cell and the growth ring features in the modelling. Input parameters are considered random variables, which have to be built in stochastic models. Data are to be acquired from measurement on wood samples, focusing on but not strictly limited to spruce wood. At each level the available existing modelling techniques have to be revised and updated or replaced accordingly, omitting simplifying assumptions wherever possible. Furthermore, effective and simply implementable models are to be created.

The research project requires the following tasks to perform: preparation of wood samples involving a wide range of relevant properties and conducting electron and optical microscopy measurements, constructing stochastic models of the properties, developing new or improving existing analytical or numerical models to incorporate random distribution of input parameters with finite element validation as necessary, performing reliability analysis to establish the dependence of structural properties on input variables, making comparisons with existing measurement data. The scope of the tasks (e.g. species involved) is subject to availability and specific circumstances of the measurements.