【摘要】：涂層織物類(lèi)建筑膜材料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“膜材”)由于其多組分材料的協(xié)同受力及復(fù)雜的編織工藝,使其力學(xué)性能呈現(xiàn)顯著的非線性,主要包括組分材料自身性能的材料非線性、拉伸過(guò)程中編織結(jié)構(gòu)卷曲轉(zhuǎn)換的幾何非線性及拉伸過(guò)程中保證各組分材料間協(xié)同受力的摩擦接觸非線性。而現(xiàn)行設(shè)計(jì)中大多采用線彈性假定,與實(shí)際情況存在偏差,降低了膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的精確度。因此十分有必要深入研究膜材的力學(xué)性能,準(zhǔn)確把握材料的本構(gòu)關(guān)系模型,為保障膜結(jié)構(gòu)的安全、完善膜結(jié)構(gòu)理論提供理論依據(jù)。為深入掌握膜材的本文采用力學(xué)試驗(yàn)、理論分析及數(shù)值分析相結(jié)合的研究手段對(duì)涂層織物類(lèi)建筑膜材料的力學(xué)性能及本構(gòu)模型展開(kāi)了一系列研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)膜材的偏軸拉伸性能及破壞機(jī)理研究。進(jìn)行了膜材的偏軸拉伸試驗(yàn),主要考慮了0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°、90°等11個(gè)偏軸角度和10mm/min、25mm/min、50mm/min、100mm/min、200mm/min、500mm/min等6種拉伸速率,得到了了主要力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律,研究了不同拉伸速率下的膜材破壞模式及破壞機(jī)理,重點(diǎn)研究了偏軸角度、拉伸速率等對(duì)材料破壞強(qiáng)度的影響規(guī)律,并探討了現(xiàn)有強(qiáng)度準(zhǔn)則的適用性。(2)含初始缺陷的膜材的力學(xué)性能研究。設(shè)計(jì)進(jìn)行了含初始缺陷試件單軸拉伸試驗(yàn),主要分析了初始缺陷形狀、缺陷尺寸、拉伸速率及試件尺寸等因素的影響,討論了膜材的破壞模式及撕裂機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,建立含初始缺陷的膜材撕裂分析模型,對(duì)含初始細(xì)條形及圓形缺陷試件撕裂強(qiáng)度進(jìn)行了預(yù)測(cè),并與臨界應(yīng)力場(chǎng)理論、泰勒經(jīng)驗(yàn)理論及應(yīng)力集中因子理論等進(jìn)行了對(duì)比分析。(3)能夠反映復(fù)雜加載歷史的膜材宏觀正交各向異性本構(gòu)關(guān)系模型。基于膜材的基本力學(xué)性能試驗(yàn),建立能貼合實(shí)際的唯象宏觀正交各向異性非線性本構(gòu)模型。模型中以應(yīng)變作為變量,采用多項(xiàng)式函數(shù)分別描述了經(jīng)、緯向單軸拉伸及面內(nèi)剪切荷載下材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,以及卸載狀態(tài)下剛度變化規(guī)律。通過(guò)ABAQUS有限元軟件中的UMAT子程序?qū)崿F(xiàn)該模型,可以完整描述膜材的加載非線性和卸載線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征,并考慮加卸載歷史的影響。分別通過(guò)試件及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能試驗(yàn)進(jìn)行了預(yù)測(cè)對(duì)比分析,研究表明預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了該模型的有效性。(4)膜材的超彈性本構(gòu)關(guān)系模型研究�；诶w維增強(qiáng)連續(xù)介質(zhì)力學(xué),建立了能反映膜材各向異性力學(xué)行為的超彈性本構(gòu)模型。該模型將總應(yīng)變能解耦為易于參數(shù)識(shí)別的經(jīng)、緯向纖維束拉伸應(yīng)變能和纖維束間剪切應(yīng)變能等兩部分,通過(guò)纖維束的方向向量來(lái)記錄膜材在拉剪耦合應(yīng)力作用下纖維束方向的變化,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了適用于涂層織物類(lèi)膜材偏軸拉伸的模型工程應(yīng)用一般表達(dá)式,確定了模型參數(shù)的獲取方法,并通過(guò)不同角度的偏軸拉伸曲線進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合ABAQUS有限元軟件中的子程序?qū)崿F(xiàn)該模型,對(duì)偏軸45°夾持堆載試驗(yàn)進(jìn)行了預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了該模型的有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TU383
【圖文】：

1 Introduction1.1 研究背景及意義（Backgrounds and Significances）膜結(jié)構(gòu)是 20 世紀(jì)中后期出現(xiàn)的新型空間結(jié)構(gòu)體系，是一種新型輕質(zhì)柔性結(jié)構(gòu)，具有跨度大、自重輕、施工快捷、可自然采光節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為“21世紀(jì)的現(xiàn)代綠色建筑”[1-4]。近 10 年來(lái)，伴隨著奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)等大型體育賽事、博覽會(huì)的舉辦，現(xiàn)代膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展，已經(jīng)成為國(guó)際和國(guó)內(nèi)現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)的重要產(chǎn)業(yè)之一[5, 6]，圖 1-1為膜結(jié)構(gòu)運(yùn)用的典型工程。（a）哈吉航站樓（沙特阿拉伯） （b）英國(guó)千年穹頂（倫敦）

促進(jìn)了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，膜材種類(lèi)增多，材料性能得到日益完善，使膜結(jié)構(gòu)適用范圍由臨時(shí)性建筑擴(kuò)展到永久性建筑，進(jìn)一步推動(dòng)了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用。在我國(guó)的一些東部沿海城市，例如香港、澳門(mén)、深圳等地，既是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)也是臺(tái)風(fēng)的多發(fā)地帶，人口密度大，建筑物密集，災(zāi)害一旦發(fā)生會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前城市中重要建筑的主體結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)風(fēng)造成的結(jié)構(gòu)整體倒塌或者嚴(yán)重破壞的情形較為少見(jiàn)，但是由于強(qiáng)風(fēng)荷載與細(xì)觀缺陷（微孔洞、微裂紋）共同作用下形成的局部破壞卻時(shí)有發(fā)生[9, 10](圖 1-2)。由于膜材的撕裂強(qiáng)度較低[11]，往往會(huì)由于膜材的細(xì)觀缺陷造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，嚴(yán)重者甚至?xí)䦟?dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體撕裂。膜結(jié)構(gòu)往往是各地的標(biāo)志性建筑（圖 1-3），其破壞不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)造成極壞的社會(huì)影響。為此要確保膜結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的安全可靠，需深入把握膜材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能，以及在荷載和缺陷共同作用下的力學(xué)響應(yīng)、損傷擴(kuò)展及破壞機(jī)理，另外能合理反映膜材復(fù)雜力學(xué)性能的本構(gòu)關(guān)系模型也是不可或缺的。

促進(jìn)了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。隨著材料科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，膜材種類(lèi)增多，材料性能得到日益完善，使膜結(jié)構(gòu)適用范圍由臨時(shí)性建筑擴(kuò)展到永久性建筑，進(jìn)一步推動(dòng)了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展及應(yīng)用。在我國(guó)的一些東部沿海城市，例如香港、澳門(mén)、深圳等地，既是我國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)的地區(qū)也是臺(tái)風(fēng)的多發(fā)地帶，人口密度大，建筑物密集，災(zāi)害一旦發(fā)生會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前城市中重要建筑的主體結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)風(fēng)造成的結(jié)構(gòu)整體倒塌或者嚴(yán)重破壞的情形較為少見(jiàn)，但是由于強(qiáng)風(fēng)荷載與細(xì)觀缺陷（微孔洞、微裂紋）共同作用下形成的局部破壞卻時(shí)有發(fā)生[9, 10](圖 1-2)。由于膜材的撕裂強(qiáng)度較低[11]，往往會(huì)由于膜材的細(xì)觀缺陷造成結(jié)構(gòu)的局部破壞，嚴(yán)重者甚至?xí)䦟?dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體撕裂。膜結(jié)構(gòu)往往是各地的標(biāo)志性建筑（圖 1-3），其破壞不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)造成極壞的社會(huì)影響。為此要確保膜結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)的安全可靠，需深入把握膜材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能，以及在荷載和缺陷共同作用下的力學(xué)響應(yīng)、損傷擴(kuò)展及破壞機(jī)理，另外能合理反映膜材復(fù)雜力學(xué)性能的本構(gòu)關(guān)系模型也是不可或缺的。

【參考文獻(xiàn)】

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3 王利鋼;陳務(wù)軍;高成軍;;聚酯纖維機(jī)織物-聚氯乙烯-聚偏氟乙烯膜材雙軸剪切力學(xué)性能試驗(yàn)[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2015年04期

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本文編號(hào)：2794999