CN108827769A - 一种建筑膜材非线性力学行为的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑膜材非线性力学行为的预测方法，属于力学行为预测技术领域，包括：剪裁试验用试件；对试件进行拉伸试验，记录试验数据；对试验数据进行拟合处理，构建本构模型；利用所述本构模型对建筑膜材不同加载机制下的非线性力学行为进行预测。本发明有效解决了现有本构模型在描述建筑膜材拉伸力学行为中不能反映加载历史影响的不足；采用的试件尺寸适中，易于裁剪，试验过程简单，可操作性强，计算效率高，预测结果与试验数据相近，有效弥补了现行规范中建筑膜材本构模型过于简化的不足，为建筑膜结构进一步精确设计分析提供了有效的参考。

Description

一种建筑膜材非线性力学行为的预测方法

技术领域

本发明涉及力学行为预测技术领域，尤其是一种建筑膜材非线性力学行为的预测方法。

背景技术

建筑膜材料作为一种柔性编织复合材料，其力学性能受到细观结构、组分材料性能及不同组分材料界面性能等多重因素的耦合影响，具有典型的非线性、非弹性和粘弹性，其力学性能受加载历史及加载环境影响明显。由于建筑膜材种类繁多，且不同厂家制造工艺也存在显著区别，这导致不同建筑膜材之间力学性能存在差异。

目前在工程设计分析中采用的建筑膜材本构模型过于简化，不能有效反映出上述材料性能，降低了膜结构设计计算的可靠程度。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种建筑膜材非线性力学行为的预测方法，解决现行规范中建筑膜材本构模型过于简化的问题，为建筑结构进一步精确设计分析提供了有效的参考。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种建筑膜材非线性力学行为的预测方法，包括以下步骤：

剪裁试验用试件；

对试件进行拉伸试验，记录试验数据；

对试验数据进行拟合处理，构建本构模型，所述本构模型包括建筑膜材各主方向的切线模量模型和卸载模量及重加载模量模型；

利用所述本构模型对建筑膜材不同加载机制下的非线性力学行为进行预测。

进一步地，所述试件为建筑膜材，为了满足单轴拉伸的试验要求将试件剪裁结果为长条形；为了能够得到纤维拉伸不同方向的模量，在裁剪试件时，按照建筑膜材纤维方向进行裁剪，得到包括不同纤维方向的大小相等的多个长条形试件。

进一步地，所述纤维方向涉及到经向、纬向及45°方向，在拉伸试验中采用纤维经向裁剪的试件得到试件的经向切线模量，采用纤维纬向裁剪的试件得到试件的纬向切线模量，采用纤维45°方向裁剪的试件得到试件的剪切切线模量。

进一步地，所述拉伸试验包括恒定加载速率的单调拉伸试验和等幅度的逐级加卸载拉伸试验。在试验中，采用恒定加载速率的单调拉伸获取的是模型拉伸曲线非弹性的参数；采用等幅度的逐级加卸载获取材料力学性能受加载历史影响的参数。

进一步地，本构模型的构建包括对经向和纬向进行拉伸试验得到的试验数据进行拟合处理和以偏轴45°试件加卸载试验得到的试验数据曲线为优化目标进行参数优化。

所建立的本构模型包括建筑膜材各主方向的切线模量模型和卸载模量及重加载模量模型，既能描述建筑膜材在主轴方向拉伸过程中应力应变的非线性关系，又能充分反映加载历史的影响，解决了现有本构模型在描述建筑膜材拉伸力学行为中不能反映加载历史影响的不足。

进一步地，本构模型具体为：

式中，为建筑膜材切线模量，σ_i拉伸力分量；i表示方向，1、2表示经向和纬向，6表示剪切方向；ε_i为应变分量，为卸载或重加载模量，为建筑膜材加卸载过程中经历的最大应变分量,A_1～9为模型参数。

本构模型中，切线模量以应变分量为变量，反映建筑膜材拉伸非线性力学行为；卸载模量及重加载模量以加卸载历程中经历的最大应变分量为变量，反映加载历史的影响。

进一步的，本构模型参数的确定方法包括：

1)输入材料初始参数；

2)计算应变增量，使用i＝1,2,6三个状态变量分别记录材料主方向在加载历程中所达到的最大拉伸应变和剪应变；

3)计算当前应变，并与当前步的状态变量作比较；

4)根据比较结果确定经向切线模量、纬向切线模量及剪切模量；

5)计算单元雅克比矩阵；

6)计算应力分量，并更新状态变量；

7)判断单元应力是否满足失效准则，若满足，则该单元失效；若不满足，则回到2)继续运算。

上述参数的确定方法，简单易行，可快速的得到本构模型的参数。

进一步地，通过反算法获取模型剪切模量最优相关参数。

进一步地，反推算法可以通过MATLAB程序中结合ABAQUS软件实现；最优解过程通过MATLAB程序中的“lsqnonlin”函数实现。

进一步地，当数值模拟结果满足条件：

时，所述反推算法得到参数的最优解，式中：F_ti(A₁,A₂,A₃,A₄,A₅)为模型预测结果，F_e,ti为试验结果，A₁,A₂,A₃,A₄,A₅等为模型参数。

反推算法和最优解过程采用现成的软件实现，使剪切模量最优相关参数得获得更加简便。通过设置合理的条件时拟合的数据更加准确，能较好预测建筑膜材非线性力学行为及反映加载历史的影响。

本发明有益效果如下：

本发明能准确描述建筑膜材在主轴方向拉伸过程中应力应变的非线性关系，并能充分反映加载历史的影响，通过合理的试验方法获取模型参数，通过有限元实现能准确的反映建筑膜材经历过不同加载历史后的真实力学响应，有效解决了现有本构模型在描述建筑膜材拉伸力学行为中不能反映加载历史影响的不足；

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，计算效率高，预测结果与试验数据相近，有效弥补了现行规范中建筑膜材本构模型过于简化的不足，为建筑结构进一步精确设计分析提供了有效的参考。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例方法流程图；

图2为本发明实施例有限元实现流程图；

图3为本发明实施例本构模型的示意图；

图4为本发明实施例拉伸试样的示意图；

图5为本发明实施例加卸载试验逐级加载谱；

图6为本发明实施例加卸载试验逐级卸载谱；

图7为本发明实施例径向加卸载模量与加载过程最大应变分量拟合结果；

图8为本发明实施例纬向加卸载模量与加载过程最大应变分量拟合结果；

图9为本发明实施例模型预测结果与试验结果对比(经向)；

图10为本发明实施例模型预测结果与试验结果对比(纬向)；

图11为本发明实施例模型预测结果与试验结果对比(偏轴45°)。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例一

本实施例公开了一种建筑膜材非线性力学行为的预测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S1、剪裁试验用试件；

所述试件为建筑膜材，剪裁结果为长条形试件；

可选的，长条形试件可以是多个，裁剪时需要考虑纤维方向，试件的数量根据试验所需的有效的数据个数确定；每个试件尺寸相等；

特殊的，本实施例试件的裁剪方向包括到经向、纬向及纤维45°方向。

为便于后期试验夹持，在每个长条形试件沿长度方向的两个端口均设有夹持线，其中，每个长条形试件夹持线距离端口的距离相一致，距离结合夹具的尺寸确定，一般为50mm。

步骤S2、对试件进行拉伸试验，记录试验数据；

所述拉伸试验可以采用单轴拉伸的试验方法，用夹具以夹持线为基准将长条形试件固定在材料拉伸试验机上；运用试验机对长条形试件进行单调拉伸试验，试验时，垂直于长条形试件短边方向施加拉力，且加载方向与长条形试件的纤维方向呈夹角θ，夹角θ的范围是0°到90°

特殊的，本实施例针对0°(纬向)、90°(经向)和45°进行试验，以获取模型参数。

具体的，所述单调拉伸试验包括两种：恒定加载速率的单调拉伸试验和等幅度的逐级加卸载拉伸试验；两种试验的拉伸都至试件完全破坏；其中，恒定加载速率的单调拉伸获取的是模型拉伸曲线非弹性的参数，加载速率为100mm/min；等幅度的逐级加卸载试验是获取材料力学性能受加载历史影响的参数，等幅度的幅值根据拉伸方向的能承担的最大荷载确定，具体为，幅值为每个方向最大荷载的N等分，例如，经向能承担的最大荷载为5000N，分成10等分，幅值就是500N。

具体的，两种拉伸试验都对经向、纬向及偏轴45°试件分别进行，并记录包括拉伸力随加载位移的变化情况在内的试验数据。

步骤S3、对试验数据进行拟合处理，构建本构模型；

步骤S301、对经向和纬向进行拉伸试验得到的试验数据进行拟合处理构建本构模型；

建立建筑膜材各主方向的切线模量模型和卸载模量及重加载模量模型；

所述切线模量模型的表达式以应变分量为变量，反映建筑膜材拉伸非线性力学行为；所述卸载模量及重加载模量模型的表达式以加卸载历程中经历的最大应变分量为变量，反映加载历史的影响；

具体模型为：

式中，为建筑膜材切线模量，σ_i力分量，i表示方向，1、2表示两个主方向，也就是经纬向，6表示剪切方向。ε_i为应变分量，为卸载或重加载模量，为建筑膜材加卸载过程中经历的最大应变分量,A_1～9为模型参数；

确定上述本构模型的参数；具体可通过ABAQUS有限元软件中提供的Frotran程序接口，将上述非线性本构模型编写用户材料子程序UMAT；

如图2所示，具体步骤包括：

1)输入材料初始参数；

2)计算应变增量，使用三个状态变量分别记录材料主方向在加载历程中所达到的最大拉伸应变和剪应变；

3)计算当前应变，并与当前步的状态变量作比较；

4)根据比较结果确定经向切线模量、纬向切线模量及剪切模量；

5)计算得单元雅克比矩阵；

6)计算应力分量，并更新状态变量；

7)判断单元应力是否满足失效准则，若满足，则该单元失效；若不满足，则回到2)继续运算。

步骤S302、以偏轴45°试件加卸载试验得到的试验数据曲线为优化目标，通过反算法获取模型剪切模量最优相关参数；

具体的，对未知的剪切参数进行反算，当数值模拟结果满足条件：时，得到参数的最优解，

式中：F_ti(A₁,A₂,A₃,A₄,A₅)为模型预测结果，F_e,ti为试验结果，A₁,A₂,A₃,A₄,A₅等为模型参数，目的就是获取这些参数的最优值；

特殊的，所述反推算法可以通过MATLAB程序中结合ABAQUS软件实现；所述最优解过程通过MATLAB程序中的“lsqnonlin”函数实现。

所述构建的本构模型，如图3所示，从O点至A点为膜材首先经历的拉伸加载过程，σ_i,m和ε_i,m分别为A点的应力和应变，在该过程中，材料的拉伸切线模量随加载荷载的增大而逐渐增大，此时膜材的纤维编织结构在拉伸荷载作用下已出现不可恢复的改变，并产生了不可恢复的残余应变当加载至A点后经历卸载和重加载过程，其卸载路径及重加载至卸载点路径近视为沿A点至B点所在的直线，显然卸载及重加载模量大于初始拉伸模量。膜材在拉伸应力作用下，其力学行为与加载历史紧密相关，应力和应变之间不再是一一对应关系，同一应变可能对应多个应力状态，反之亦然。因此，本构模型中描述膜材的应力应变行为时，应记录材料所经历的加载历史，并区分加载和卸载两种状态下的应力应变关系，分别给定不同的应力-应变关系。面内剪切加卸载条件下，材料的应力应变曲线形态与拉伸试验结果类似，区别在于剪应力下材料的非线性更加显著。

步骤S4、利用构建的本构模型对建筑膜材不同加载机制下的非线性力学行为进行预测。

建立与试验相同尺寸试件有限元模型，单元类型选取4节点减缩积分平面应力单元(CPS4R)，对膜材料经、纬向单调加载和逐级加载试验进行模拟，通过创建多个静态分析步以模拟加载和卸载过程。

实施例二

(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，如图4所示，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调拉伸试验，试验时，垂直于长条形试件短边方向施加拉力，且加载方向与长条形试件的纤维方向呈夹角θ。将0°试件以100mm/min拉伸速率拉至试件完全破坏，记录拉伸力随位移的变化情况。

(3)试验试样与条件与步骤(2)一致，运用试验机对长条形试件进行逐级加卸载试验，试验时，垂直于长条形试件短边方向施加拉力，且加载方向与长条形试件的纤维方向呈夹角θ。将0°试件以500N为幅度进行加载谱如图5和图6所示的逐级加卸载试验，拉伸速率保持100mm/min恒定，加载直至试件完全破坏，记录力随位移的变化情况。

(4)变换步骤(2)和(3)中的角度θ，对偏轴角度45°和90°长条形试件采用相同于步骤(2)和(3)中单调拉伸试验和逐级加卸载试验方法进行试验，得的力位移曲线。

(5)对0°和90°试验数据按实施例一中构建本构模型的进行拟合处理，如图7和图8所示.

(6)以偏轴45°试件加卸载曲线为优化目标，通过实施例一中的反算法获取模型剪切模量相关参数。

运用上述模型对0°、90°及偏轴45°逐渐加载试验进行预测，得的三种情况下的应力应变曲线，并与试验曲线对比，如图9-11所示。

对比试验曲线，发现采用上述本构模型预测得到的结果与试验得到的结果较为一致，因此本发明方法能较好预测建筑膜材非线性力学行为及反映加载历史的影响。

综上所述，本发明实施例提供的建筑膜材非线性力学行为的预测方法，能准确描述建筑膜材在主轴方向拉伸过程中应力应变的非线性关系，并能充分反映加载历史的影响，通过合理的试验方法获取模型参数，通过有限元实现能准确的反映建筑膜材经历过不同加载历史后的真实力学响应，有效解决了现有本构模型在描述建筑膜材拉伸力学行为中不能反映加载历史影响的不足；

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，计算效率高，预测结果与试验数据相近，有效弥补了现行规范中建筑膜材本构模型过于简化的不足，为建筑结构进一步精确设计分析提供了有效的参考。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种建筑膜材非线性力学行为的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

剪裁试验用试件；

对试件进行拉伸试验，记录试验数据；

对试验数据进行拟合处理，构建本构模型，所述本构模型包括建筑膜材各主方向的切线模量模型和卸载模量及重加载模量模型；

利用所述本构模型对建筑膜材不同加载机制下的非线性力学行为进行预测。

2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，按照建筑膜材纤维方向进行裁剪，得到包括不同纤维方向的大小相等的多个长条形试件。

3.根据权利要求2所述的预测方法，其特征在于，所述纤维方向包括经向、纬向和45°方向。

4.根据权利要求1-3任一所述的预测方法，其特征在于，

所述拉伸试验包括恒定加载速率的单调拉伸试验和等幅度的逐级加卸载拉伸试验。

5.根据权利要求4所述的预测方法，其特征在于，所述本构模型的构建过程包括对经向和纬向进行拉伸试验得到的试验数据进行拟合处理和以纤维偏轴45°试件加卸载试验得到的试验数据曲线为优化目标进行参数优化。

6.根据权利要求5所述的预测方法，其特征在于，

所述本构模型具体为：

式中，为建筑膜材切线模量，σ_i拉伸力分量；i表示方向，1、2表示经向、纬向，6表示剪切方向；ε_i为应变分量，为卸载或重加载模量，为建筑膜材加卸载过程中经历的最大应变分量,A_1～9为模型参数。

7.根据权利要求6所述的预测方法，其特征在于，所述本构模型参数的确定方法包括：

1)输入材料初始参数；

2)计算应变增量，使用i＝1,2,6三个状态变量分别记录材料主方向在加载历程中所达到的最大拉伸应变和剪应变；

3)计算当前应变，并与当前步的状态变量作比较；

4)根据比较结果确定经向切线模量、纬向切线模量及剪切模量；

5)计算单元雅克比矩阵；

6)计算应力分量，并更新状态变量；

7)判断单元应力是否满足失效准则，若满足，则该单元失效；若不满足，则回到2)继续运算。

8.根据权利要求5所述的预测方法，其特征在于，通过反算法获取模型剪切模量最优相关参数。

9.根据权利要求6所述的预测方法，其特征在于，所述反推算法可以通过MATLAB程序中结合ABAQUS软件实现；所述最优解过程通过MATLAB程序中的“lsqnonlin”函数实现。

10.根据权利要求9所述的预测方法，其特征在于，当数值模拟结果满足条件：时，所述反推算法得到参数的最优解，式中：F_ti(A₁,A₂,A₃,A₄,A₅)为模型预测结果，F_e,ti为试验结果，A₁,A₂,A₃,A₄,A₅等为模型参数。