CN107228798B - 一种用于描述涂层织物膜材各向异性蠕变行为的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于描述涂层织物膜材各向异性蠕变行为的方法，适用于描述涂层织物类膜材的各向异性蠕变行为。针对涂层织物类膜材的试样进行恒定速率的单轴拉伸，试样受到拉力的作用会产生变形，拉伸至一定应力之后保持应力不变，膜材将会发生蠕变，蠕变过程中涂层织物类膜材的应变和时间关系满足表达式，通过该满足的表达式即可准确反映涂层织物膜材的各向异性蠕变行为。本发明能够准确预测涂层织物膜材料的各向异性蠕变行为，合理选择了涂层织物膜材蠕变的主要影响因素，准确地反映涂层织物膜材的真实蠕变情况，有效弥补了对现行涂层织物膜材蠕变变化规律探究不足的问题，为涂层织物膜材的计算和分析提供了有效的参考。

Description

一种用于描述涂层织物膜材各向异性蠕变行为的方法
技术领域
本发明涉及一种涂层织物类膜材各向异性蠕变行为的描述方法，具体涉及一种适用于单向拉伸状态下用于描述涂层织物类膜材各向异性蠕变行为的方法。
背景技术
张拉膜结构作为一种新型空间结构形式，由于良好的力学性能及其极具表现力的建筑形态而备受人们关注和应用。涂层织物膜材属于典型的高分子复合材料，其力学性能受加载历史、环境等因素影响明显，在拉伸状态下，膜材料具有明显的粘性，同时也会产生不可恢复的塑性变形，织物类膜材的编织方式和涂层处理也对材料性能产生一定的影响。
粘弹性是膜材力学性能之一，蠕变和应力松弛是粘弹性的典型表现形式，蠕变是指在恒定应力的作用下，材料变形随时间的推移而发展的现象，该特征描述了材料力学行为的时效性。工程经验表明，膜材蠕变行为会造成膜面位移增大，从而产生膜面褶皱，会造成膜面积灰及形态变化，从而引起膜面预应力损失，严重者会造成结构破坏。建筑膜材料长期处于张力状态下，以及受到风雪等载荷的作用，故需要长期在外力的作用下保持较小的蠕变和较大的张力，因此对其蠕变性能的研究显得非常有必要。
建筑膜材料在不太高的温度下也有明显的粘弹性，随着时间的推移，会产生蠕变，这种粘弹性性能主要表现为各向异性。纤维蠕变与基体蠕变机制不同，界面的存在增加了力学性能的复杂性。而由于纤维的存在，引起建筑膜材的蠕变因素增多了，基体蠕变是主要来源，蠕变过程中主要由其承担载荷；纤维由不直到逐渐拉直，纱线屈曲在外力的作用下也随基体蠕变而逐渐伸直；纤维在高温及高应力下显示一定程度的蠕变，纤维在强度较弱或应力较大处发生断裂，使膜材料的蠕变明显增加。
目前国内外学者对于各种建筑膜材均展开了全面的研究，研究膜材料的蠕变性能大致上从通过理论研究来建立理论模型、蠕变试验研究和进行计算机有限元模拟三个方面进行。文献索膜结构的蠕变性能研究[J].科学技术与工程，2006,6(15)：2301-2305通过进行考虑材料蠕变对鞍形和脊谷式膜结构力学性能的影响，提出蠕变会导致索膜结构整体的承载力下降，同时是影响膜结构变形的主要因素之一，明确了对结构进行蠕变研究是索膜结构设计不可缺少的一部分，为考虑材料蠕变的膜结构受力性能研究提供了一定的方法基础，但存在以下几个问题：数值模拟采用的相关参数取自工程经验数据，不具有材料针对性；数值模拟中采用的算法在计算结果的准确性上存在一定的争议；通过蠕变应变作为结果的衡量指标，不具工程实际性；算例计算中仅以单个算例给出特定结构的蠕变影响情况，不具广泛实用性。
由于膜材组成形式的复杂性，不同类型材料之间的差异很大，只有通过大量的试验才能够获取建筑膜材的蠕变特性，从而建立统一的公式或蠕变模型；有的学者主要集中在对于膜材蠕变过程有限元研究的问题上，试图通过理论研究得到膜材统一的蠕变模型，但该方法必须得到一定的试验支持，另一方面，尽管对于膜材蠕变的研究很多，但是通过对材料的研究延伸于结构的相关研究极少，因而缺乏相关的准确试验公式，对膜材蠕变进行准确的描述。
K young Ju Kim等人的研究中对于蠕变应变的拟合采用一个简单有效蠕变应变率的幂率形式，如下式：
其中，A，m，n为常数，通过试验曲线的拟合来确定，εc为材料的蠕变应变，σ为恒定应力，为蠕变应变率，t为时间，用90°方向的试验得到的蠕变应变来拟合蠕变方程，进行拟合之后，发现幂率形式的蠕变方程并不适于描述涂层织物膜材的蠕变行为。
发明内容
本发明的目的在于针对上述背景技术的不足，提供一种较为准确、可靠性强的用于描述涂层织物膜材各向异性蠕变的方法。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种用于描述涂层织物膜材各向异性蠕变行为的方法，包括如下步骤：
(1)针对涂层织物类膜材，将涂层织物类膜材裁成长条形试件；
(2)采用单轴拉伸的试验方法对长条形试件进行拉伸试验，试验时，沿着长条形试件的裁剪方向施加拉力，且拉伸方向与长条形试件上的纤维方向呈夹角θ；将长条形试件以恒定速率拉伸至恒定应力，保持恒定应力一段时间，记录位移随时间的变化情况；
(3)变换步骤(2)中单轴拉伸试验中的偏轴角度θ，对长条形试件采用相同于步骤(2)的试验方法进行试验，得到涂层织物类膜材蠕变过程中的位移时间曲线，此时，涂层织物类膜材的位移时间曲线满足下式：
式中，εc为涂层织物类膜材试样的蠕变应变，σ为涂层织物类膜材拉伸方向的恒定应力，t为时间，θ为涂层织物类膜材拉伸方向与纤维方向的夹角；
(4)通过步骤(3)中的式(1)对涂层织物类膜材各向异性的蠕变行为进行预测。
本发明的有益效果为：
由于采用了上述推导方案，本发明适用于描述涂层织物类膜材各向异性的蠕变行为，采用单轴拉伸的试验方法对涂层织物类膜材进行恒定速率拉伸，拉伸至一定应力之后保持应力不变，改变偏轴角度进行用相同方法进行试验。涂层织物类膜材具有粘弹性，蠕变是粘弹性的主要表现形式之一，在恒定应力下，随着时间的推移，膜材将会发生蠕变。与现有描述涂层织物类膜材各向异性蠕变行为的方法相比，本发明能准确反映涂层织物类膜材在恒定应力下蠕变过程中位移与时间的关系，合理选取对涂层织物类膜材蠕变的影响参数并进行修正调整，准确地反映涂层织物类膜材的真实蠕变情况，有效解决了现有方法在描述涂层织物类膜材各向异性蠕变行为时的较大误差。本发明采用的试件尺寸适中，易于裁剪，试验过程简单，可操作性强，预测结果与试验数据相近，有效弥补了对现行涂层织物膜材蠕变变化规律探究不足的问题。
附图说明
图1是本发明拉伸试样的示意图；
图2是等效蠕变应变拟合曲线示意图；
图3是参数与偏轴角度θ的关系示意图；
图4是理论蠕变曲线与试验曲线的对比示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
一种用于描述涂层织物膜材各向异性蠕变行为的方法，包括如下步骤：
(1)针对涂层织物类膜材，将涂层织物类膜材裁成长条形试件。
(2)采用单轴拉伸的试验方法对长条形试件进行拉伸试验，试验时，沿着长条形试件的裁剪方向施加拉力，且拉伸方向与长条形试件上的纤维方向呈夹角θ；将长条形试件以恒定速率拉伸至恒定应力，保持恒定应力一段时间，记录位移随时间的变化情况。
(3)变换步骤(2)中单轴拉伸试验中的偏轴角度θ，对长条形试件采用相同于步骤(2)的试验方法进行试验，得到涂层织物类膜材蠕变过程中的位移时间曲线，此时，涂层织物类膜材的位移时间曲线满足下式：
式中，εc为涂层织物类膜材试样的蠕变应变，σ为涂层织物类膜材拉伸方向的恒定应力，t为时间，θ为涂层织物类膜材拉伸方向与纤维方向的夹角。
(4)通过步骤(3)中的式(1)对涂层织物类膜材各向异性的蠕变行为进行预测。
实施例1、
(1)采用涂层织物类膜材，将涂层织物类膜材裁成长条形试件，长条形试件长度为300mm，宽度为50mm。长条形试件沿长度方向的两个端口均设有夹持线，夹持线距离端口50mm。
(2)用夹具以夹持线为基准将长条形试件固定在常规的材料拉伸试验机上，运用试验机对长条形试件进行单轴循环拉伸。试验时，沿着长条形试件的裁剪方向施加拉力，且拉伸方向与长条形试件上的纤维方向呈夹角θ。将0°试样以2N/s的拉伸速率拉伸至恒定应力4kN/m，保持恒定应力24h，记录位移随时间的变化情况。
(3)变换步骤(2)中单轴拉伸试验中的偏轴角度θ，选取偏轴角度：15°，30°，45°，60°，75°，90°。对长条形试件采用相同于步骤(2)的试验方法进行试验，得到涂层织物类膜材蠕变过程中的位移时间曲线。
(4)采用等效应变的方法对0°和90°的试验数据进行处理：
其中,εc为涂层织物类膜材试样的蠕变应变，σ为恒定应力，系数a11、a66、a12，A，m，n，b为常数,t为时间。
用等效应变表示则是
其中，为相应参数的等效值，H(θ)表示的是等效值和实际值的比例关系，可以用a11、a66、a12表示出来，且a11经过数据拟合发现是恒定值。
H(θ)只与a12+a66的和有关，令与偏轴角度θ的关系式为：
综上，得到各向异性蠕变本构方程为：
将上面本构方程代入偏轴角度(15°，30°，60°，75°)，可以得到四种工况下的理论蠕变曲线，并与试验曲线进行对比，如图4所示。
对比理论蠕变曲线和试验曲线，发现采用上述本构方程预测得到的结果与试验得到的结果较为一致，因此本发明方法描述涂层织物膜材各向异性蠕变行为的效果比较好。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于描述涂层织物膜材各向异性蠕变行为的方法，针对涂层织物类膜材，将涂层织物类膜材裁成长条形试件，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用单轴拉伸的试验方法对长条形试件进行拉伸试验，试验时，沿着长条形试件的裁剪方向施加拉力，且涂层织物类膜材拉伸方向与长条形试件上的纤维方向的夹角为θ；将长条形试件以恒定速率拉伸至恒定应力，保持恒定应力一段时间，记录位移随时间的变化情况；
(2)变换步骤(1)中单轴拉伸试验中的涂层织物类膜材拉伸方向与长条形试件上的纤维方向的夹角θ，对长条形试件采用相同于步骤(1)的试验方法进行试验，得到涂层织物类膜材蠕变过程中的位移时间曲线，此时，涂层织物类膜材的位移时间曲线满足下式：
式中，εc为涂层织物类膜材试样的蠕变应变，σ为涂层织物类膜材拉伸方向的恒定应力，t为时间，θ为涂层织物类膜材拉伸方向与长条形试件上的纤维方向的夹角；
(3)通过步骤(2)中的式(1)对涂层织物类膜材各向异性的蠕变行为进行预测。
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Denomination of invention: A method for describing the anisotropic creep behavior of coated fabric membranes

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