涂层织物类建筑膜材料的本构关系模型研究

发布时间：2020-08-16 21:52

【摘要】：涂层织物类建筑膜材料(以下简称“膜材”)由于其多组分材料的协同受力及复杂的编织工艺,使其力学性能呈现显著的非线性,主要包括组分材料自身性能的材料非线性、拉伸过程中编织结构卷曲转换的几何非线性及拉伸过程中保证各组分材料间协同受力的摩擦接触非线性。而现行设计中大多采用线弹性假定,与实际情况存在偏差,降低了膜结构设计计算的精确度。因此十分有必要深入研究膜材的力学性能,准确把握材料的本构关系模型,为保障膜结构的安全、完善膜结构理论提供理论依据。为深入掌握膜材的本文采用力学试验、理论分析及数值分析相结合的研究手段对涂层织物类建筑膜材料的力学性能及本构模型展开了一系列研究。主要研究内容如下:(1)膜材的偏轴拉伸性能及破坏机理研究。进行了膜材的偏轴拉伸试验,主要考虑了0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°、90°等11个偏轴角度和10mm/min、25mm/min、50mm/min、100mm/min、200mm/min、500mm/min等6种拉伸速率,得到了了主要力学参数的变化规律,研究了不同拉伸速率下的膜材破坏模式及破坏机理,重点研究了偏轴角度、拉伸速率等对材料破坏强度的影响规律,并探讨了现有强度准则的适用性。(2)含初始缺陷的膜材的力学性能研究。设计进行了含初始缺陷试件单轴拉伸试验,主要分析了初始缺陷形状、缺陷尺寸、拉伸速率及试件尺寸等因素的影响,讨论了膜材的破坏模式及撕裂机理。在此基础上,建立含初始缺陷的膜材撕裂分析模型,对含初始细条形及圆形缺陷试件撕裂强度进行了预测,并与临界应力场理论、泰勒经验理论及应力集中因子理论等进行了对比分析。(3)能够反映复杂加载历史的膜材宏观正交各向异性本构关系模型。基于膜材的基本力学性能试验,建立能贴合实际的唯象宏观正交各向异性非线性本构模型。模型中以应变作为变量,采用多项式函数分别描述了经、纬向单轴拉伸及面内剪切荷载下材料的应力-应变关系,以及卸载状态下刚度变化规律。通过ABAQUS有限元软件中的UMAT子程序实现该模型,可以完整描述膜材的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征,并考虑加卸载历史的影响。分别通过试件及结构力学性能试验进行了预测对比分析,研究表明预测结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。(4)膜材的超弹性本构关系模型研究。基于纤维增强连续介质力学,建立了能反映膜材各向异性力学行为的超弹性本构模型。该模型将总应变能解耦为易于参数识别的经、纬向纤维束拉伸应变能和纤维束间剪切应变能等两部分,通过纤维束的方向向量来记录膜材在拉剪耦合应力作用下纤维束方向的变化,在此基础上推导出了适用于涂层织物类膜材偏轴拉伸的模型工程应用一般表达式,确定了模型参数的获取方法,并通过不同角度的偏轴拉伸曲线进行了验证。结合ABAQUS有限元软件中的子程序实现该模型,对偏轴45°夹持堆载试验进行了预测,预测结果与试验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU383
【图文】：

典型工程,膜结构

1 Introduction1.1 研究背景及意义（Backgrounds and Significances）膜结构是 20 世纪中后期出现的新型空间结构体系，是一种新型轻质柔性结构，具有跨度大、自重轻、施工快捷、可自然采光节约能源等优点，被誉为“21世纪的现代绿色建筑”[1-4]。近 10 年来，伴随着奥运会、世博会等大型体育赛事、博览会的举办，现代膜结构产业得到迅速发展，已经成为国际和国内现代空间结构的重要产业之一[5, 6]，图 1-1为膜结构运用的典型工程。（a）哈吉航站楼（沙特阿拉伯）（b）英国千年穹顶（伦敦）

膜结构,穹顶,天窗,云母

促进了膜结构的发展。随着材料科学技术的进步，膜材种类增多，材料性能得到日益完善，使膜结构适用范围由临时性建筑扩展到永久性建筑，进一步推动了膜结构的发展及应用。在我国的一些东部沿海城市，例如香港、澳门、深圳等地，既是我国经济最为发达的地区也是台风的多发地带，人口密度大，建筑物密集，灾害一旦发生会造成巨大的经济损失。目前城市中重要建筑的主体结构由于强风造成的结构整体倒塌或者严重破坏的情形较为少见，但是由于强风荷载与细观缺陷（微孔洞、微裂纹）共同作用下形成的局部破坏却时有发生[9, 10](图 1-2)。由于膜材的撕裂强度较低[11]，往往会由于膜材的细观缺陷造成结构的局部破坏，严重者甚至会导致结构的整体撕裂。膜结构往往是各地的标志性建筑（图 1-3），其破坏不仅会造成巨大的经济损失，而且会造成极坏的社会影响。为此要确保膜结构在服役期内的安全可靠，需深入把握膜材在复杂应力状态下的力学性能，以及在荷载和缺陷共同作用下的力学响应、损伤扩展及破坏机理，另外能合理反映膜材复杂力学性能的本构关系模型也是不可或缺的。

三亚,台风

【参考文献】