[發明專利]一種用于涂層織物膜材黏彈性本構行為的預測方法

有效

• 申請號: 201710484652.0
• 申請日: 2017-06-23
• 公開（公告）號: CN107290215B
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發明（設計）人: 張營營;薛繼崗;張蘭蘭;許珊珊
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08;G01N3/32
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 彭雄

本發明公開了一種用于涂層織物膜材黏彈性本構行為的預測方法，適用于建筑膜結構中的用于涂層織物膜材黏彈性本構行為的預測。針對涂層織物類膜材，采用單軸循環拉伸試驗方法進行拉伸試驗，將膜材按某一恒定速率拉伸至最大應力，再以相同的速率卸載至0，如此循環直至達到穩定，得到膜材在單軸循環拉伸作用下的應力應變曲線，此時涂層織物類膜材沿拉伸方向的應力、應變滿足表達式，通過表達式進行應力應變關系預測，即可準確反映涂層織物膜材黏彈性本構行為。本發明合理選取了影響涂層織物膜材料黏彈性特性的重要參數，準確地反映膜材料的真實力學性能，有效彌補了目前大部分黏彈性本構關系模型存在的問題，為建筑膜結構的分析和計算提供參考。

技術領域

本發明涉及一種預測方法，具體涉及一種用于涂層織物膜材黏彈性本構行為的預測方法。

背景技術

膜結構在我國的應用已有十余年的歷史，在這期間，我國在膜結構的計算與設計理論、制作與工程實踐方面取得了長足的進步，并編制出版了設計與檢測技術規程。目前，國內已經具備了針對大型工程自行進行計算、設計、制作、安裝、檢測與監測等各項工作的能力。但是，相對而言，針對膜結構材料本構關系及基本材料性能等基礎研究方面的工作十分薄弱。膜面作為結構的一部分，大都暴露在空氣中，其不可避免地要受到風荷載的作用，風荷載對膜結構的作用主要表現為循環荷載作用。這必然會使膜材產生殘余變形，減小膜材原有的預張力，影響到膜材的使用。尤其對于張拉膜結構體系，預張力是膜面成形并具備整體剛度的必要條件，預張力的損失亦會給結構安全性造成影響，輕者局部膜面出現褶皺，重者使結構喪失整體剛度而破壞。因此研究建筑膜材料在循環應力下的應力應變變化規律等，是確定膜材強度設計值、膜結構裁剪縮小率、張力調節裝置等的重要前提。

張拉膜結構中主要應用的是涂層織物類膜材。涂層織物類膜材由基層、涂層和面層三部分組成。其中基層由各種織物纖維編織而成，決定膜材的結構力學特性。涂層和面層保護基層，且具有自潔、抗污染、耐久性等作用。基層的編織纖維相互垂直，分別為經向纖維和緯向纖維，兩個方向的力學性能差異較大。因此涂層織物類膜材具有明顯的非線性、非彈性、各向異性以及黏彈性等特性。相比傳統材料來講，膜材料本構關系的確定是材料力學性能研究的重中之重。

目前，關于膜材料黏彈性性能的研究，主要集中在初始應力、溫度等參數對材料黏彈性性能的影響。如:Zhang等對不同溫度及初始應力下的PVC膜材應力松弛性能進行了研究，發現隨著溫度和初始應力的增加，膜材料的黏彈性行為更加明顯。張伍連等對PVC膜材進行了不同應力下的蠕變試驗，并采用Kelvin-Voigt模型對試驗數據進行了擬合分析，發現隨著模型參數的增加，預測效果越好。孟雷等進行了不同初始應力下涂層織物類膜材的蠕變及其應力松弛性能，并且將其引入自編程序的數值分析中，對張拉成形曲面的應力松弛性能進行了研究，得到了較好的預測效果，同時也指出，應考慮張拉過程中的黏彈性。

對于黏彈性材料，常用黏彈性本構關系模型主要有：Maxwell模型、Kelvin模型以及Burgers模型等。其中Maxwell模型是采用彈簧元件和粘性元件(阻尼件)的串聯體反映材料的黏彈性特征。Kelvin模型也稱Voigt模型，它采用彈簧元件和粘性元件的并聯體反映材料的黏彈性性能。Burgers模型是由一個Maxwell模型和一個Kelvin模型串聯而成的組合模型，因其含有四個元件，故也被稱作四元件模型。其特點就是兼取Maxwell模型和Kelvin模型各自的長處并抑制各自的短處，以求建立一個更能反映材料黏彈性行為的新模型。

以下是三種常用黏彈性模型的加載、卸載本構方程：

加載：

Maxwell模型

卸載：

加載：

Kelvin模型

卸載：

加載：

Burgers模型

卸載：