涂層織物類建筑膜材料的本構關系模型研究

發(fā)布時間：2020-08-16 21:52

【摘要】：涂層織物類建筑膜材料(以下簡稱“膜材”)由于其多組分材料的協(xié)同受力及復雜的編織工藝,使其力學性能呈現(xiàn)顯著的非線性,主要包括組分材料自身性能的材料非線性、拉伸過程中編織結構卷曲轉換的幾何非線性及拉伸過程中保證各組分材料間協(xié)同受力的摩擦接觸非線性。而現(xiàn)行設計中大多采用線彈性假定,與實際情況存在偏差,降低了膜結構設計計算的精確度。因此十分有必要深入研究膜材的力學性能,準確把握材料的本構關系模型,為保障膜結構的安全、完善膜結構理論提供理論依據(jù)。為深入掌握膜材的本文采用力學試驗、理論分析及數(shù)值分析相結合的研究手段對涂層織物類建筑膜材料的力學性能及本構模型展開了一系列研究。主要研究內容如下:(1)膜材的偏軸拉伸性能及破壞機理研究。進行了膜材的偏軸拉伸試驗,主要考慮了0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°、90°等11個偏軸角度和10mm/min、25mm/min、50mm/min、100mm/min、200mm/min、500mm/min等6種拉伸速率,得到了了主要力學參數(shù)的變化規(guī)律,研究了不同拉伸速率下的膜材破壞模式及破壞機理,重點研究了偏軸角度、拉伸速率等對材料破壞強度的影響規(guī)律,并探討了現(xiàn)有強度準則的適用性。(2)含初始缺陷的膜材的力學性能研究。設計進行了含初始缺陷試件單軸拉伸試驗,主要分析了初始缺陷形狀、缺陷尺寸、拉伸速率及試件尺寸等因素的影響,討論了膜材的破壞模式及撕裂機理。在此基礎上,建立含初始缺陷的膜材撕裂分析模型,對含初始細條形及圓形缺陷試件撕裂強度進行了預測,并與臨界應力場理論、泰勒經(jīng)驗理論及應力集中因子理論等進行了對比分析。(3)能夠反映復雜加載歷史的膜材宏觀正交各向異性本構關系模型。基于膜材的基本力學性能試驗,建立能貼合實際的唯象宏觀正交各向異性非線性本構模型。模型中以應變作為變量,采用多項式函數(shù)分別描述了經(jīng)、緯向單軸拉伸及面內剪切荷載下材料的應力-應變關系,以及卸載狀態(tài)下剛度變化規(guī)律。通過ABAQUS有限元軟件中的UMAT子程序實現(xiàn)該模型,可以完整描述膜材的加載非線性和卸載線性的應力-應變關系特征,并考慮加卸載歷史的影響。分別通過試件及結構力學性能試驗進行了預測對比分析,研究表明預測結果與試驗結果吻合較好,驗證了該模型的有效性。(4)膜材的超彈性本構關系模型研究�；诶w維增強連續(xù)介質力學,建立了能反映膜材各向異性力學行為的超彈性本構模型。該模型將總應變能解耦為易于參數(shù)識別的經(jīng)、緯向纖維束拉伸應變能和纖維束間剪切應變能等兩部分,通過纖維束的方向向量來記錄膜材在拉剪耦合應力作用下纖維束方向的變化,在此基礎上推導出了適用于涂層織物類膜材偏軸拉伸的模型工程應用一般表達式,確定了模型參數(shù)的獲取方法,并通過不同角度的偏軸拉伸曲線進行了驗證。結合ABAQUS有限元軟件中的子程序實現(xiàn)該模型,對偏軸45°夾持堆載試驗進行了預測,預測結果與試驗結果吻合較好,驗證了該模型的有效性。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TU383
【圖文】：

典型工程,膜結構

1 Introduction1.1 研究背景及意義（Backgrounds and Significances）膜結構是 20 世紀中后期出現(xiàn)的新型空間結構體系，是一種新型輕質柔性結構，具有跨度大、自重輕、施工快捷、可自然采光節(jié)約能源等優(yōu)點，被譽為“21世紀的現(xiàn)代綠色建筑”[1-4]。近 10 年來，伴隨著奧運會、世博會等大型體育賽事、博覽會的舉辦，現(xiàn)代膜結構產業(yè)得到迅速發(fā)展，已經(jīng)成為國際和國內現(xiàn)代空間結構的重要產業(yè)之一[5, 6]，圖 1-1為膜結構運用的典型工程。（a）哈吉航站樓（沙特阿拉伯）（b）英國千年穹頂（倫敦）

膜結構,穹頂,天窗,云母

促進了膜結構的發(fā)展。隨著材料科學技術的進步，膜材種類增多，材料性能得到日益完善，使膜結構適用范圍由臨時性建筑擴展到永久性建筑，進一步推動了膜結構的發(fā)展及應用。在我國的一些東部沿海城市，例如香港、澳門、深圳等地，既是我國經(jīng)濟最為發(fā)達的地區(qū)也是臺風的多發(fā)地帶，人口密度大，建筑物密集，災害一旦發(fā)生會造成巨大的經(jīng)濟損失。目前城市中重要建筑的主體結構由于強風造成的結構整體倒塌或者嚴重破壞的情形較為少見，但是由于強風荷載與細觀缺陷（微孔洞、微裂紋）共同作用下形成的局部破壞卻時有發(fā)生[9, 10](圖 1-2)。由于膜材的撕裂強度較低[11]，往往會由于膜材的細觀缺陷造成結構的局部破壞，嚴重者甚至會導致結構的整體撕裂。膜結構往往是各地的標志性建筑（圖 1-3），其破壞不僅會造成巨大的經(jīng)濟損失，而且會造成極壞的社會影響。為此要確保膜結構在服役期內的安全可靠，需深入把握膜材在復雜應力狀態(tài)下的力學性能，以及在荷載和缺陷共同作用下的力學響應、損傷擴展及破壞機理，另外能合理反映膜材復雜力學性能的本構關系模型也是不可或缺的。

三亞,臺風