机织建筑膜材料拉伸性能研究 ——从单轴、双轴到多轴

论文摘要

随着膜结构建筑的广泛应用,建筑膜材料的力学性能研究愈来愈受到关注。相比经编类建筑膜材料,机织建筑膜材料的基布组织结构多为平纹或方平,织造工艺简单,尤其适合玻璃纤维织物类建筑膜材料的生产,应用更为广泛。建筑膜材料不同于一般的建筑材料,它是一种柔性的涂层织物复合材料,需要依赖膜的特定张拉形状才能承受载荷。建筑膜材料在各种拉伸载荷作用下的拉伸性能对于指导膜结构的设计和构建非常必要,因而,本课题围绕机织建筑膜材料在单轴、双轴和多轴拉伸载荷作用下的力学性能展开研究。通过对机织建筑膜材料的单轴、双轴和多轴拉伸试验,研究膜材料在各种拉伸载荷作用下的力学性能,以期实现:（1）探索获得膜材料在各种载荷作用下的拉伸力学行为的测试方法,为建立膜材料在双轴和多轴拉伸载荷作用下拉伸测试标准提供参考;（2）把握建筑膜材料在各种载荷作用下的拉伸力学行为特征,为膜结构建筑的设计和施工提供更适用可靠的材料性能参数。论文对机织建筑膜材料在单轴一偏轴拉伸力作用下的拉伸性能进行了分析,结果表明,在低拉伸应力和拉伸破坏应力作用下,膜材料的拉伸行为都表现出明显的各向异性特性和非线性特征。在低拉伸应力作用下,三次加/卸载循环后,膜材料的拉伸应力一应变关系线性程度大大提高。实验获得的膜材料弹性常数基本满足正交各向异性弹性材料在偏轴拉伸力作用下的本构关系,证明了在低拉伸应力作用下,在三次加/卸载后,机织建筑膜材料可以被看作为正交各向异性的弹性材料,为推导机织建筑膜材料的双轴拉伸弹性模量估算式提供了理论依据。从对机织建筑膜材料在拉伸破坏应力作用下的破坏模式分析中知,膜材料的破坏模式有三种:纯拉伸破坏、纯剪切破坏和拉伸一剪切混合型破坏等。利用Tsai-Hill强度准则可以对纯拉伸或纯剪切破坏模式下的膜材料断裂强度做出较好的预测,但该准则不适合对拉剪混合型破坏模式下膜材料断裂强度的预测。在膜结构建筑应用过程中,膜材料的受力往往来自两个甚至多个方向,双轴拉伸试验成为深入了解膜材料拉伸力学特性的重要测试方法。然而,迄今仍未有国际认可的有关膜材料双轴拉伸试验的测试标准。论文通过合理设计并实施一系列的双轴拉伸试验,研究了拉伸测试中应变测试方法、应变测试位置和试样尺寸等测试因素对测试结果的影响。分析得出,在双轴拉伸测试中,应用接触式的针式应变计能正确反映测试结果;为避免测试位置对测试结果的可能影响,应变计的测试位置应尽可能地靠近试样的中心线位置;在测量精度较高的情况下,双轴拉伸试样尺寸可以缩小至中心区域尺寸为60mm×60mm,不会对测试结果造成明显影响,同时可节省试样材料。论文分析了机织建筑膜材料在双轴拉伸循环载荷作用下的拉伸行为,以及在不同的双轴向应力加载比率下,拉伸残余变形的回复情况。研究表明,机织建筑膜材料的双轴拉伸行为受到加载条件影响显著,且随着拉伸循环载荷次数的增加,膜材料的线性化程度和弹性化程度都得到了较大的改善,但经纬两向拉伸行为（拉伸弹性模量和拉伸弹性回复性）存在明显的不对称性,这主要源自基布材料（织物）的结构和性能以及涂层过程中的拉伸作用对膜材料拉伸力学行为的影响。研究还表明,在双轴拉伸条件下,在膜材料的经纬向结构和力学性能如本文所示的不对称的情况下,经纬两向应力加载比率小于1的载荷条件不利于膜材料在膜结构中的应用,这在设计和施工中应尽力予以避免。根据假设:低应力循环载荷作用后机织建筑膜材料可近似地看作为正交各向异性的线弹性材料,论文推导了机织建筑膜材料在双轴向拉伸载荷作用下拉伸弹性模量的估算方程式,结合双轴拉伸实验结果,验证得:用机织建筑膜材料的单轴拉伸弹性常数可以估算出膜材料在主应力方向（双轴向中应力加载较大的方向）上的弹性模量值。论文还介绍了对机织建筑膜材料的多轴拉伸测试及多轴拉伸性能的研究。分析了多轴拉伸测试条件对拉伸测试结果的影响,如:试样的形状、尺寸和测试速度等。研究结果表明,在多轴拉伸测试中,拉伸试样形状和尺寸的选择对有效地把握膜材料多轴拉伸性能至关重要。分析得知,具有较大夹持臂宽度的齿轮型多轴拉伸试样有利于膜材料多轴拉伸性能测试研究;只有在较低的拉伸测试速度（低于20 mm/min）下,才能测得更为真实详尽的膜材料多轴拉伸性能曲线。论文还对同一种机织建筑膜材料进行了单轴、双轴和多轴拉伸性能测试,分析对比了在单轴、双轴和多轴加载条件下的拉伸性能差异。分析表明,加载条件对机织建筑膜材料的拉伸性能影响显著。在膜材料的应用中,应全面考虑膜材料在各种加载条件下的拉伸性能,以便提高膜材料的使用效率,减少因此而带来的结构隐患。从实验分析的角度,论文介绍了带有中心裂缝的机织建筑膜材料在多轴拉伸测试条件下的裂缝蔓延情况及破坏模式。结合分析带有中心裂缝的膜材料在多轴拉伸载荷作用下的拉伸断裂性能得知,由于机织建筑膜材料试样的经纬向的拉伸性能的明显差异,经向拉伸性能在膜材料多轴拉伸加载条件下起着主导作用。因而,在机织建筑膜材料的设计生产中,应尽可能平衡膜材料各向拉伸性能,使膜材料的多轴拉伸载荷作用下有较高的拉伸性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 插图清单
• 表格清单
• 引言
• 1 研究背景
• 2 研究意义
• 3 研究目标
• 4 研究内容和方法
• 5 研究创新点
• 6 论文的章节安排
• 第1章 机织建筑膜材料的拉伸性能研究
• 1.1 拉伸试验研究
• 1.1.1 单轴拉伸试验
• 1.1.2 双轴拉伸试验
• 1.1.3 多轴拉伸试验
• 1.2 拉伸行为特征
• 1.2.1 非线性拉伸行为
• 1.2.2 各向异性拉伸行为
• 1.2.3 非弹性拉伸行为
• 1.3 拉伸性能分析
• 1.3.1 弹性矩阵分析法
• 1.3.2 数学函数分析法
• 1.3.3 力学模型分析法
• 1.4 本章小结
• 第2章 单轴拉伸下膜材料的各向异性及破坏机理
• 2.1 偏轴拉伸试验
• 2.2 拉伸弹性常数的各向异性
• 2.3 拉伸强度的各向异性
• 2.4 拉伸破坏机理及强度准则
• 2.4.1 拉伸破坏机理
• 2.4.2 拉伸破坏强度准则
• 2.5 本章小结
• 第3章 双轴拉伸试验
• 3.1 双轴拉伸试验设备
• 3.2 双轴拉伸试验
• 3.3 双轴拉伸试验条件分析
• 3.3.1 应变测试方法
• 3.3.2 应变测试位置
• 3.3.3 拉伸试样尺寸
• 3.4 本章小结
• 第4章 双轴拉伸行为特征分析
• 4.1 双轴循环载荷作用下的拉伸行为
• 4.2 双轴拉伸弹性模量的理论计算
• 4.2.1 理论推导
• 4.2.2 理论值与测试结果的对比
• 4.3 本章小结
• 第5章 多轴拉伸实验及分析
• 5.1 多轴拉伸试验
• 5.2 多轴拉伸测试条件的确定
• 5.2.1 拉伸试样形状尺寸
• 5.2.2 拉伸速度
• 5.3 单轴、双轴和多轴拉伸性能对比
• 5.4 带有中心裂缝的多轴拉伸破坏
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结和结论
• 参考文献
• 附录一 膜材料 S3试样的相关测试数据
• 附录二 膜材料 S4试样的相关测试数据
• 附录三 膜材料 S4和 S5试样的相关测试数据
• 附录四 膜材料 S6试样的相关测试数据
• 攻读博士期间发表论文情况