摘要 機(jī)織建筑膜材料拉伸本構(gòu)模型 摘要 機(jī)織建筑膜材料是一種通過在機(jī)織物基布上涂敷樹脂 或橡膠等基本材料而制成的柔性復(fù)合材料，是一種只能抗 拉，不能抗壓和抗彎的柔性材料。本文旨在通過織物拉伸性 能及涂層工藝中織物幾何結(jié)構(gòu)相的變化來預(yù)測(cè)膜材料的拉 伸性能。確定了織物與膜材料的拉伸性能關(guān)系，就可以根據(jù) 客戶對(duì)膜材料拉伸性能的要求，來確定涂層前織物的拉伸性 能，從而確定織物的經(jīng)緯密及經(jīng)、緯紗支。研究膜材料面內(nèi) 拉伸應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系是其他一切受力分析的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì) 及制造部門密切關(guān)注的問題。 本文假設(shè)面內(nèi)載荷均勻分布于受力軸向以及由屈曲轉(zhuǎn) 換引起的另一軸向的變形量也是均勻的，即可以由經(jīng)、緯紗 線及其單個(gè)交織點(diǎn)和涂層材料組成的結(jié)構(gòu)單元來描述膜材 料的整體變形。首先，在假設(shè)紗線及涂層材料為服從胡克定 律的桿件、并忽略剪切及壓縮變形的基礎(chǔ)上建立了膜材料拉 伸的非線性彈性本構(gòu)模型。該模型體現(xiàn)為經(jīng)、緯紗屈曲轉(zhuǎn)換 非線性變形，以及紗線和涂層材料拉伸伸長(zhǎng)線彈性變形，通 過p v c p e s 膜材料拉伸試驗(yàn)來驗(yàn)證模型的可靠性。研究結(jié)果 表明：在應(yīng)變較小時(shí)，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)試值吻合的較好； 但當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí)，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)測(cè)試值之間存在 t 摘要 偏差，且隨應(yīng)變的增大，兩者之間的差異隨之增大。 通過對(duì)紗線及織物的拉伸試驗(yàn)曲線研究表明，在拉伸伸 長(zhǎng)變形過程中二者都具有明顯的應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)前后的 曲線斜率變化較大。本文從總體中分別抽取樣本容量為8 的 織物經(jīng)、緯向拉伸試驗(yàn)曲線，對(duì)其求多項(xiàng)式回歸方程二階導(dǎo) 數(shù)的零點(diǎn)即拐點(diǎn)( 試驗(yàn)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)) ；在此基礎(chǔ)上采用最 小二乘法分段線性擬合織物拉伸性能的非線性，得出各段的 曲線斜率即材料的彈性常數(shù)；采用w 檢驗(yàn)證實(shí)小樣本試樣服 從正態(tài)分布，對(duì)正態(tài)總體在顯著性水平a = 5 的情況下求得 樣本總體均值的置信區(qū)間。通過對(duì)織物及膜材料的橫截面試 驗(yàn)研究表明：織物在涂層工藝中經(jīng)向的拉伸導(dǎo)致經(jīng)緯紗線屈 曲轉(zhuǎn)換變形，從而影響膜材料的拉伸性能。 通過對(duì)紗線及機(jī)織基布的拉伸性能的非線性現(xiàn)象的研 究分析，建立了反映膜材料拉伸變形的非線性彈塑性本構(gòu)模 型，旨在討論織物涂層過程中的織物的經(jīng)向拉伸對(duì)膜材料拉 伸性能的影響。模型中考慮了以經(jīng)、緯紗屈曲轉(zhuǎn)換及拉伸伸 長(zhǎng)的變形機(jī)制，通過對(duì)p v c p e s 膜材料拉伸實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證模型 的可靠性。結(jié)果表明，通過控制織物在涂層過程中的應(yīng)變量， 可由涂層前織物的拉伸行為預(yù)測(cè)涂層后膜材料的拉伸性能。 關(guān)鍵詞：膜材料，機(jī)織物，本構(gòu)模型，拉伸性能，非線性 a b s t ra c t t h ec o n s t i t u t i v em o d e lf o rt e n s l l e p e r f o r m a n c eo fw o v e nf a b r i ca s a r c h i t e c t u r a lm e m b r a n em a t e r i a l a bs t r a c t a r c h i t e c t u r a lm e m b r a n em a t e r i a li saf l e x i b l ec o m p o s i t e ， w h i c hi sm a d eb yc o a t i n gp o l y m e rm a t e r i a l so n t ot h es u r f a c eo f f a b r i c s i ti sat e n s i l er e s i s t a n tm a t e r i a lw i t hm i n o rr e s i s t a n c e t oc o m p r e s s i o na n db e n d i n gl o a d s i nt h ep r e s e n ts t u d y ，e f f o r t s a r em a d et op r e d i c tt e n s i l ep r o p e r t i e so f c o a t e dw o v e nf a b r i ca s m e m b r a n em a t e r i a lt h r o u g ha ni n v e s t i g a t i o no ft h ec h a n g e si n f a b r i cs t r u c t u r a l g e o m e t r y a n dt e n s i l e p r o p e r t y i ti s d e m o n s t r a t e dt h a t ，o n c et h er e l a t i o n s h i po ft e n s i l ep r o p e r t i e so f w o v e nf a b r i cb e f o r ea n da f t e rc o a t i n gi sk n o w n ，s oa st h ef a b r i c p a r a m e t e rs u c ha sw e a v ed e n s i t ya n dy a r nc o u n t ，t h et e n s i l e p e r f o r m a n c eo ft h em e m b r a n ec anb ep r e d i c t e di ft h ea m o u n to f s t r e t c ho fw o v e nf a b r i c d u r i n gc o a t i n gp r o c e s s c a nb e c o n t r o l l e d t h er e s u l t so ft h es t u d yw o u l dp r o v i d eab a s i c k n o w l e d g ef o ro n ew h oi ss t u d y i n go t h e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o f m e m b r a n em a t e r i a lt h a nt h es t r e s s s t r a i nb e h a v i o r t h e r e s u l t sw o u l da ls ob eu s e f u lf o rr e l e v a n tb u s i n e s ss u c ha s d e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gd e p a r t m e n t so ft e n s i l es t r u c t u r e s an o n l i n e a re l a s t i cc o n s t i t u t i v em o d e li sd e v e l o p e du n d e r t h ea s s u m p t i o nt h a tt h es t r e s si s u n i f o r m l yd i s t r i b u t e da tt h e n o d e si nt h ep l a n eo ft h em e m b r a n em a t e r i a li nt h ed i r e c t i o no f o n ey a r ns y s t e ma n dt h es t r a i ni nt h ep e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n r e s u l t i n gf r o mc r i m pi n t e r c h a n g ei sa l s ou n i f o r m i nt h em o d e l t h ec u r v e dy a r n sa n dt h e c o a t i n gp o l y m e ra r er e p l a c e d b y s t r a i g h tb a r s ，o fw h i c ht h et e n s i l eb e h a v i o r so b e yh o o k e r sl a w t h es h e a rd e f o r m a t i o na n dt h e b e n d i n gr e s i s t a n c e o ft h e m e m b r a n ea r e n e g l e c t e d t h em o d e la c c o u n t sf o rt h eb a s i c m e c h a n i s m so fc r i m pi n t e r c h a n g e ，y a r ne x t e n s i o na n dt h e e x t e n s i o no fc o a t i n gp o l y m e r p o l y e s t e rw o v e nf a b r i cc o a t e d w i t hp v c ( p v c p e s ) i su s e dt oe v a l u a t et h ep r e d i c t i o nr e s u l t s o ft h em o d e l a l t h o u g ht h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h et h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w sa na c c e p t a b l e a g r e e m e n tb e t w e e nt h e ma tl o w e rs t r a i nl e v e l s ，as i g n i f i c a n t d e v i a t i o ni so b s e r v e dw h e na th i g h e rs t r a i nl e v e l s t h eg r e a t e r t h es t r a i ni s ，t h el a r g e rt h ed e v i a t i o nw o u l db e b yo b s e r v i n gt e n s i l ec u r v e so fy a r na n dw o v e nf a b r i ci ti s n o t i c e dt h a tb o t hs h o w n o n l i n e a r i t y w i t hd i s t i n c t t u r n i n g p o i n t s b e f o r ea n da f t e rt h et u r n i n gp o i n t st h es l o p eo ft h e c u r v e sc h a n g e ss i g n i f i c a n t l y i nt h ep r e s e n ：s t u d y ，e i g h ts amplecurves c a n g e ss 1 9 n l ：t i c a n t l y 1 nt h er e s e n ts t u d ye 1h ts a m l 3e i i c u r v e si nw a r po rf i l ld i r e c t i o na r ec h o s e nf r o map o p u l a t i o no f t e n s i l ec u r v e s b yr e g r e s s i o nf i t t i n gc u r v e sa sw e l la st h e t u r n i n gp o i n t a r e o b t a i n e d b y m e a n so ft h el e a s t s q u a r e m e t h o d ，t h en o n l i n e a rt e n s i l ec u r v eo ff a b r i ci sa p p r o x i m a t e d b y m u l t i l i n e a rs e c t i o n s t h e s l o p o ft h el i n e a rs e c t i o n r e p r e s e n t st h ee l a s t i cc o n s t a n to f t h es a m p l ew i t h i nt h es e c t i o n i t i sc o n f i r m e db yw - t e s tt h a tt h es a m p l eo b e y san o r m a l d i s t r i b u t i o n t h ec o n f i d e n c ei n t e r v a lo fap o p u l a t i o n sm e a ni s s o l v e da t5 s i g n i f i c a n tl e v e l b ye x a m i n i n gt h ec r o s ss e c t i o n s o fw o v e nf a b r i cb e f o r ea n da f t e rc o a t i n gi ti sw e l ld e m o n s t r a t e d t h a t ，d u r i n gc o a t i n gp r o c e s s ，t h ed e g r e eo fc r i m pi nw a r py a r n s r e d u c e dd u et ot h e p r o c e s s i n gt e n s i o n ，w h i l e t h a ti nf i l l d i r e c t i o ni n c r e a s e s b yc r i m pi n t e r c h a n g e t h ec r i m p i n t e r c h a n g ew o u l da f f e c tt h ep r e d i c t i o no ft e n s i l ep r o p e r t i e so f m e m b r a n ei nr e l a t i o nt ot h o s eo fw o v e nf a b r i cb e f o r ec o a t i n g b yc o n s i d e r i n gt h ec r i m pi n t e r c h a n g ea n de x t e n s i o no f f a b r i c d u r i n gc o a t i n gp r o c e s s ，a n o n l i n e a r e l a s t i c - p l a s t i c c o n s t i t u t i v em o d e lf o r e v a l u a t i n g t e n s i l e p e r f o r m a n c e o f m e m b r a n em a t e r i a li sd e v e l o p e da n dt h et e n s i l ep e r f o r m a n c eo f t h em e m b r a n ei ss i m u l a t e d t h ee f f e c t so ff a b r i ce x t e n s i o n d u r i n gc o a t i n gp r o c e s si nt h et e n s i l ep e r f o r m a n c ea r ed i s c u s s e d i nt h es i m u l a t i o nt h et e n s i l ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s m so fe i t h e r i i i a b s t r a c t c r i m pi n t e r c h a n g e o rt e n s i l ed e f o r m a t i o no ff a b r i c d u r i n g c o a t i n g i s a n a l y z e d p v c p e s c o a t e df a b r i c sa r eu s e dt o e v a l u a t et h ep r e d i c t i o nr e s u l t so ft h em o d e l i ti sd e m o n s t r a t e d t h a t ，o n c et h e t e n s i l ed e f o r m a t i o no ff a b r i c d u r i n gc o a t i n g p r o c e s s i sc o n t r o l l a b l e ，t h et e n s i l ep e r f o r m a n c e so fc o a t e d f a b r i c sc a nb ep r e d i c t e df r o mt h et e n s i l eb e h a v i o ro ff a b r i c s b e f o r ec o a t i n g k e y w o r d s ：a r c h i t e c t u r a lm e m b r a n em a t e r i a l ，w o v e nf a b r i c ， c o n s t i t u t i v em o d e l ，t e n s i l ep r o p e r t y ，n o n l i n e a r i t y l u o g u o j i a n ( t e x t i l ee n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db y p r o f e s s o rd i n gx i n 附件一： 東華大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)。所呈 交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作 所取得的成果。除文中已明確注明和引用的內(nèi)容外，本論文 不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成 果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對(duì)所寫的內(nèi)容負(fù)責(zé)，并 完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：、羅2 習(xí)建 e l 期：?jiǎn)?年1 月鏟日 附件二： 東華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī) 定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印 件和電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)東華大學(xué)可 以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué) 位論文。 本學(xué)位論文屬于 保密口，在年解密后適用本版權(quán)書。 不保密 學(xué)位論文作者簽名： 羅i 習(xí)建 指導(dǎo)教師簽名：丁了 日期： ) 帥 年f 月。日 日期： 。7 年，月影日 第一章引言 第一章引言 膜結(jié)構(gòu)是近幾十年國際上正在研究并逐漸發(fā)展的一種新型空間 結(jié)構(gòu)，是一種效率極高的張力集成體系【l 】，是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)形 式。它以優(yōu)良的織物為材料，利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將面繃緊， 從而形成具有一定剛度張力，能夠覆蓋大跨度的空間結(jié)構(gòu)體系【2 1 。這 種結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮鋼索的強(qiáng)度與張拉集體結(jié)構(gòu)的空間作用，它以其 新穎的造型、巧妙的構(gòu)思、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)得到青睞，并成功的應(yīng)用于體 育場(chǎng)館、娛樂商業(yè)中心、展覽館、候機(jī)大廳等打垮度建筑物中，被譽(yù) 為“21 世紀(jì)的建筑 。常用的機(jī)織建筑膜材料主要有p v c 膜材料和 p t f e 膜材料，其主要的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕、價(jià)廉、物美，適應(yīng)大跨度的建 筑。 1 1 研究背景及意義 作為決定膜材料力學(xué)性能關(guān)鍵的織物基布，其性能的評(píng)價(jià)往往是 膜材料質(zhì)量控制中的重要一環(huán)。因此，通過織物力學(xué)性能來預(yù)測(cè)和評(píng) 價(jià)膜材料力學(xué)行為成為制造和設(shè)計(jì)部門關(guān)切的問題。由于在涂層過程 中織物受到經(jīng)向的拉伸，使涂層前后織物的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的差異，這 種差異必然影響到對(duì)膜材料性能的預(yù)測(cè)。然而迄今為止的模型均未考 慮織物基布的幾何結(jié)構(gòu)及拉伸性能變化對(duì)膜材料力學(xué)性能的影響，因 此難以正確建立織物和膜材料力學(xué)性能之間的聯(lián)系。 準(zhǔn)確地把握膜材料的拉伸性能參數(shù)才能減少膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的假 設(shè)所導(dǎo)致的誤差，避免分析計(jì)算給工程設(shè)計(jì)帶來偏差甚至嚴(yán)重錯(cuò)誤， 而導(dǎo)致施工過程中張力膜面出現(xiàn)皺褶或在使用壽命期內(nèi)膜結(jié)構(gòu)發(fā)生 失穩(wěn)現(xiàn)象，給整個(gè)工程帶來重大破壞。 準(zhǔn)確地把握膜材料設(shè)計(jì)所需的性能參數(shù)，就可以適當(dāng)?shù)亟档湍そY(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)選取的安全系數(shù)，提高膜材料的利用率，降低膜材料的成本： 另外，還可以使設(shè)計(jì)者擺脫對(duì)材料性能把握不準(zhǔn)而帶來的設(shè)計(jì)保守 第一章引言 性，使膜結(jié)構(gòu)的外形設(shè)計(jì)更加豐富、美觀，也有利于膜結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載 荷作用下保持設(shè)計(jì)外形的持久性，進(jìn)而提高膜結(jié)構(gòu)的使用壽命。 1 2 研究的內(nèi)容及方法 研究目標(biāo) 通過紗線和織物的拉伸測(cè)試及對(duì)測(cè)試結(jié)果的數(shù)值分析得出織物 拉伸性能參數(shù)，再由織物及膜材料的橫截面測(cè)試計(jì)算獲得涂層工藝中 織物經(jīng)、緯紗幾何結(jié)構(gòu)相的變化，建立模型來預(yù)測(cè)膜材料的拉伸性能。 根據(jù)使用部門對(duì)膜材料拉伸力學(xué)性能的要求，可通過所建立的模 型來確定機(jī)織物基布的拉伸性能，從而確定織物的經(jīng)緯密、經(jīng)緯紗拉 伸性能，并且對(duì)相應(yīng)涂層工藝中機(jī)織物的經(jīng)向拉伸變形作出規(guī)定。 研究?jī)?nèi)容 ( 1 ) 對(duì)織物拉伸試驗(yàn)曲線進(jìn)行分段線性處理，既通過數(shù)值分析的方 法獲取拉伸曲線的應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并確定各線性段的彈性常數(shù)； ( 2 ) 測(cè)量機(jī)織基布在涂層工藝中結(jié)構(gòu)相的變化，分析該變化對(duì)膜材 料拉伸性能的影響； ( 3 ) 通過膜材料幾何結(jié)構(gòu)的假設(shè)，建立能反映膜材料拉伸過程的應(yīng) 力一應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)模型，以通過涂層前機(jī)織物基布的拉伸性能來預(yù) 測(cè)涂層后膜材料的拉伸性能。 研究方法 1 ) 試驗(yàn)材料性能測(cè)試 a ) 拉伸性能測(cè)試 測(cè)試紗線、織物及膜材料的拉伸性能，研究各自拉伸試驗(yàn) 曲線之間的聯(lián)系。 b ) 橫截面測(cè)試 涂層前織物及涂層后膜材料橫截面的拍攝及測(cè)量，分析涂 層前后織物細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)變化。 2 ) 結(jié)構(gòu)單元假設(shè) 膜材料整體變形情況由結(jié)構(gòu)單元來表示，結(jié)構(gòu)單元中包括一個(gè)組 2 第一章引言 織點(diǎn)及相應(yīng)的經(jīng)緯紗線和涂層材料。 3 1 膜材料拉伸力學(xué)模型 假設(shè)紗線及涂層材料為服從胡克定律的桿件，建立了反映膜材料 應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的非線性彈性本構(gòu)模型，分析織物幾何結(jié)構(gòu)相的非線 性變形對(duì)膜材料拉伸性能的影響；由機(jī)織物拉伸曲線，用最小二乘法 分段線性擬合來描述織物拉伸性能的非線性，提取出拉伸各階段的彈 性常數(shù)。在此基礎(chǔ)上建立了非線性彈塑性本構(gòu)模型，以完整地分析拉 伸過程中織物的幾何非線性和紗線材料的力學(xué)非線性對(duì)膜材料拉伸 性能的影響。 1 3 章節(jié)安排 第一章引出了本課題的研究背景，闡述了研究意義、內(nèi)容和方法。 第二章為文獻(xiàn)綜述部分，敘述了膜材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及拉伸力學(xué)模型的 發(fā)展。前人的研究為本課題提供了一個(gè)起點(diǎn)，從而奠定了本課題的研 究?jī)?nèi)容及方法。第三章為材料性能測(cè)試部分，通過對(duì)紗線、織物的拉 伸試驗(yàn)測(cè)試，觀察試驗(yàn)曲線的非線性力學(xué)行為：對(duì)織物及膜材料的橫 截面進(jìn)行測(cè)試，獲得涂層工藝中織物結(jié)構(gòu)相的變化，為模型的建立和 參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。第四章為理論研究部分，通過對(duì)膜材料幾何 結(jié)構(gòu)的假設(shè)，建立了非線性彈性本構(gòu)模型和非線性彈塑型本構(gòu)模型， 來預(yù)測(cè)膜材料的拉伸性能，并通過p v c p e s 拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證所建立模 型的適應(yīng)性。第五章是對(duì)本課題的工作予以總結(jié)并給出研究工作的主 要結(jié)論。 第二章文獻(xiàn)綜述 第二章文獻(xiàn)綜述 2 1 機(jī)織建筑膜材料的分類及應(yīng)用現(xiàn)狀 機(jī)織建筑膜材料是一種通過在織物基布上涂敷樹脂或橡膠等基 本材料而制成的柔性復(fù)合材料，經(jīng)涂層材料涂覆之后可提高織布的抗 拉強(qiáng)度及彈性系數(shù)【3 】。常用的機(jī)織建筑膜材主要有兩類：p v c ( 聚氯 乙烯) 膜材料和p t f e ( 聚四氟乙烯) 膜材料。p v c 膜材料是在聚酯 ( p e s ) 纖維織物上涂敷或?qū)訅簆 v c 而成，p v c 涂敷層在一定程度 上提高了膜材料的防水、防火、透光和色牢度、抗紫外線輻射等各項(xiàng) 性能指標(biāo)。涂層的表面處理則進(jìn)一步提供了膜材料的耐污、耐用等物 理性能，并能增加膜材料的使用年限，使其達(dá)到l0 年左右。p t f e 膜 材料主要由玻璃纖維基材和p t f e 涂層構(gòu)成。p t f e 膜材料根據(jù)強(qiáng)度、 重量和厚度分為a 、b 、c 、d 、e 等5 個(gè)級(jí)別，該類膜材料質(zhì)量保證 期為l0 l5 年。膜材料的開發(fā)與應(yīng)用，擺脫了對(duì)鋼材、木材、混凝 土等傳統(tǒng)材料的依賴，打破了舊的建筑觀念，為建筑業(yè)帶來了一場(chǎng)新 的革命。以膜材料為屋面的建筑比傳統(tǒng)的建筑方法節(jié)省屋面造價(jià) 5 0 ，屋面重量減輕2 3 ，抗震性好，可相應(yīng)降低基礎(chǔ)及主體工程費(fèi) 用，建筑造價(jià)可節(jié)約1 5 2 0 。 膜材料在近2 0 年經(jīng)歷了迅速的發(fā)展，在國外已建成許多著名的 膜結(jié)構(gòu)建筑。例如：l9 81 年建成的沙特阿拉伯的吉達(dá)候機(jī)大廳，19 8 5 年由b e r g e r 設(shè)計(jì)的沙特阿拉伯的t h er i y a d hs t a d i u m ，19 8 7 年建造在 u n i v e r s i t yo fw i s c o n s i n 的m c c l a i np r a c t i c ef a c i l i t y ，1 9 8 8 年建成的 英國w i m b l e d o ni n d o o rt e n n i sf a c i l i t y ，19 9 0 年建成的s a nd i e g o c o n v e n t i o nc e n t e r ，19 9 3 年建成的t h en e wd e n v e ri n t e r n a t i o n a l a i r p o r t 等。此外，在2 0 0 2 屆韓日世界杯上，就有1 1 座膜結(jié)構(gòu)建筑 用于各項(xiàng)體育場(chǎng)館。在我國，張力膜結(jié)構(gòu)屬于一種剛剛崛起的新型建 筑結(jié)構(gòu)。19 9 5 年建筑膜材料的使用量不足1 萬m 2 f4 1 ，到2 0 01 年則上 4 第二章文獻(xiàn)綜述 升為2 0 2 5 萬m 2 f 5 1 。最近的如北京奧運(yùn)主會(huì)場(chǎng)的“鳥巢”，采用了 大量的膜材料。由于膜材料重量輕、透光度高、抗污染性強(qiáng)，而且達(dá) 到使用期限后可以較為方便地更換，還可以經(jīng)受冰雹等自然災(zāi)害的打 擊，因此估計(jì)在今后的若干年內(nèi)我國膜材料的需求量將以每年2 0 的速度遞增，膜材料在建筑領(lǐng)域?qū)⒕哂惺謴V闊的應(yīng)用前景。 2 2 拉伸力學(xué)模型概述 本節(jié)分別對(duì)織物拉伸力學(xué)模型和機(jī)織膜材料拉伸力學(xué)模型作了 概述，兩者具有一定的相似性，即均采用層板理論或者細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu) 模型來分析拉伸力學(xué)性能。 2 2 1 機(jī)織物拉伸力學(xué)模型概述 織物拉伸性能分析基于研究分析復(fù)合材料的層板理論【6 】，張義同 等7 】，【8 】【9 1 在此基礎(chǔ)上添加了額外的應(yīng)力部分( 即剛度矩陣中的第三列 第一行和第二行的值，如式( 2 1 ) 所示) ，同時(shí)提出了織物沒有一般固 體介質(zhì)所具有的剪切模量的概念，它是靠纖維之間的擠壓來承受剪切 的概念，改變了原有的剪切剛度值，從而建立了織物拉伸的非線性彈 性本構(gòu)模型，其應(yīng)力一應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系見式： 臥圭 ( 巳。) 蜀2 一百1 朋s i n a c o t 22 b c ( 口 i l ： 墾：( 吃) 一百1 朋s 洫口c o t 2 蘭。 00 - 三。s i n a c o t 2 詈馳) 2 二毋( 口) 42 。 ( 2 - 1 ) 式中，b1 2 是泊松比，b 1l ( e i1 ) ，b 2 2 ( e 2 2 ) 及b c 分別是關(guān)于應(yīng)變e l1 ，e 2 2 和e 1 2 的非線性函數(shù)。織物拉伸非線性的參數(shù)包括b b 2 2 及b c 是由試 驗(yàn)決定的。 a m i r b a y a t 等【1 0 1 列舉出了許多織物的屈曲現(xiàn)象，強(qiáng)調(diào)了研究織物 懸垂和屈曲的重要性：與此同時(shí)，中國織物力學(xué)界的學(xué)者1 1 1 2 1 也認(rèn) 識(shí)到了織物屈曲的重要性和屈曲分析的困難。 學(xué)術(shù)界廣泛被采用的是由p i e r c e 1 3 1 基于紗線截面為圓形的假設(shè)下 第二章文獻(xiàn)綜述 而提出的織物幾何結(jié)構(gòu)模型，如圖2 1 所示。不少研究人員對(duì)p i e r c e 模型做了改進(jìn)，假設(shè)紗線的橫截面是非圓形且可變形，如w a r r e n i l 叫 采用了基于同時(shí)伴有紗線伸長(zhǎng)和彎曲變形的彈性梁理論，來預(yù)測(cè)織物 在受到單軸或者雙軸小載荷下的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。s a g a re ta l 【l5 】通過 改進(jìn)的織物幾何結(jié)構(gòu)模型，以及根據(jù)能量守恒定律來預(yù)測(cè)織物在受平 面內(nèi)載荷作用下所發(fā)生的變形。 f 。鬲 氏 。 丫a ，2 ir - 弋7kk 義mr _ l 落厶! 蔓終竺j 弋 圖2 1p i e r c e 的幾何結(jié)構(gòu)模型 基于簡(jiǎn)單的桁架結(jié)構(gòu)，k a w a b a t a 1 6 】【1 7 】，【l8 】提出了織物的單軸、雙 軸以及剪切變形的分析模型，如 2 - - 2 所示。r e a l 1 9 1 通過復(fù)雜的變 形機(jī)制包括紗線的變平和而建立了織物單軸拉伸模型。k i n g 等2 0 1 基于 k a w a b a t a 的織物幾何結(jié)構(gòu)理論，提出了機(jī)織物拉伸應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的連續(xù)性本 構(gòu)模型。 圖2 2 織物幾何結(jié)構(gòu)模型 2 2 2 機(jī)織膜材料拉伸力學(xué)模型概述 6 第二章文獻(xiàn)綜述 膜結(jié)構(gòu)是一種只能抗拉，不能抗彎和抗壓的柔性結(jié)構(gòu)，它靠薄膜 表面繃緊的狀態(tài)下產(chǎn)生剛度來抵抗垂直于曲面的外載荷的作用 2 1 】。 不同于剛性板殼結(jié)構(gòu)，只有對(duì)其施加了預(yù)應(yīng)力，膜結(jié)構(gòu)才具有抵抗外 載荷的結(jié)構(gòu)剛度。與鋼材或鋼筋混凝土材料相比，膜材料的剛度非常 低，若受到意外事故的外加載荷時(shí)會(huì)產(chǎn)生過大的變形。膜結(jié)構(gòu)曾經(jīng)發(fā) 生過因遭受暴風(fēng)雨雪超載造成膜面下沉變形，使其與接近物接觸而導(dǎo) 致事故的現(xiàn)象【2 2 1 。因此，分析膜材料的載荷一變形關(guān)系對(duì)于膜結(jié)構(gòu) 的設(shè)計(jì)、成形、裁剪、安裝等均非常重要【23 1 。 載荷一變形分析的目的是檢查在各種載荷組合下，結(jié)構(gòu)的剛度是 否足夠，膜面的應(yīng)力和變形是否在許可的范圍內(nèi)( 亦就是能否保證結(jié) 構(gòu)的穩(wěn)定及防止褶皺的出現(xiàn)) ，是否會(huì)出現(xiàn)過大的變形而導(dǎo)致應(yīng)力松 弛或因應(yīng)力過大導(dǎo)致膜材破壞，是否在風(fēng)雪載荷下因變形過大而影響 結(jié)構(gòu)的適用功能，是否會(huì)因風(fēng)激振動(dòng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等等1 2 4 。索膜 結(jié)構(gòu)的載荷分析除了考慮自重的影響外，一般只考慮風(fēng)荷載和雪荷載 及其組合情況f 2 釘。 機(jī)織建筑膜材料力學(xué)性能的理論分析，早期較多地借助于經(jīng)典層 板理論。該理論假設(shè)膜材料為正交各向異性材料，在材料坐標(biāo)系下的 應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系為【2 6 】，【2 7 】： 盯=qs(2-2) 其中q = 巨 d v v 輝e y 鼠 0 盟o n 曼 o n 0 島 h ，弘時(shí)占= 毳 ，域= 一v 肛 對(duì)于各向異性材料，要確定其本構(gòu)關(guān)系，必須根據(jù)材料實(shí)驗(yàn)測(cè)定， 得到上述3x3 矩陣中所包含的e 、弓、這5 個(gè)值28 1 。 其中巨、e 、分別為彈性模量和泊松比；為剪切彈性模量。 剪切彈性模量與經(jīng)、緯向及偏軸方向的彈性模量的關(guān)系式： 7 一1 ：三一上一上+ 堡( 2 - 3 1 g ie 。e 。e ，e ， 王i 至 2 9 1 利用單軸向拉伸試驗(yàn)獲得p e s p v c 膜材料沿經(jīng)虬緯向 及4 j 。方向的工程彈性常數(shù)及面內(nèi)剪切模量，以簡(jiǎn)單拉仲試驗(yàn)獲得了 膜材料的彈性常數(shù)。膜材料拉伸性能的各向異性還體現(xiàn)于膜材料托伸 斷裂強(qiáng)度，然而目前對(duì)其研究尚處在簡(jiǎn)單估算階段，導(dǎo)致在脆結(jié)構(gòu)毆 計(jì)中必須采用較大的安全系數(shù) 3 0 i 。 機(jī)織建筑膜材料是一種通過在機(jī)織物基巾1 涂敷樹脂或橡膠等 基本材料而制成的柔性復(fù)合材料1 ，它的拉伸r 陸能豐要取決于作為 基布的機(jī)織物。機(jī)織物細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性導(dǎo)致了其在受到外界載 荷作用f 變形機(jī)制的復(fù)雜性；涂層材料具有限制織物受力變形的功 能，使得膜材料的變形機(jī)制更加復(fù)雜。現(xiàn)有的類模型12 6 1 f 弛 是建立 在層板理論的基礎(chǔ)上，從宏觀角度分析膜材料的拉仲|(zhì) = ! 能，忽略了膜 材料細(xì)州兒何結(jié)構(gòu)的變化對(duì)材料性能的影響。此類模型適川十線押比 小變形情況，而對(duì)高度非線性且大變形的膜材而言料，模型的分析與 實(shí)際情況存在較大的差距m i 。l u o ”i 等人根據(jù)紗線及涂層材料的仲 長(zhǎng)變形和紗線的屈曲變形，列出了能量守恒方程，從而建立了纖維屈 曲模型，如圖2 3 所示。 第二章文獻(xiàn)綜述 紗線屈曲形狀為正弦曲線； 紗線是彈性體； 材料的力學(xué)非線性和幾何非線性是由織物重構(gòu)引起的； 膜材料為正交各向異性。 l u o 等人認(rèn)為：膜材料的非線性主要是由織物的幾何位移引起 的，影響它的因素包括紗線的初始位置、加載條件( 單軸、雙軸或多 軸) 、紗線的相互作用及紗線、涂層材料的特性等。在膜材料中，織 物的變形受到涂層材料的限制，因此，相對(duì)于涂層前的織物而言，膜 材料更難于變形。他們根據(jù)紗線的屈曲、伸長(zhǎng)變形以及涂層材料的伸 長(zhǎng)變形，建立了膜材料拉伸本構(gòu)模型，將紗線的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系和膜 材料拉伸性能的非線性聯(lián)系起來： 仃= e , c + 巨s 3 + 巨占5 ( 2 - 4 ) 式中，c r * n 占分別是膜材料的應(yīng)力和應(yīng)變，巨為初始模量，易和e 為反 映紗線非線性變形的常數(shù)。當(dāng)e j = e 5 = 0 時(shí)，則式( 2 - 4 ) n - 可簡(jiǎn)化為仃= e g ， 即為一個(gè)簡(jiǎn)單的線性模型。當(dāng)巨、巨中有一個(gè)不為0 時(shí)，則表現(xiàn)為非 線性模型。從式( 2 - 4 ) n - f i - 以看出，模型的好壞取決于巨、毛和毛的取值， 而這些值的獲得是通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合得到的。 t e s t a 等【3 5 1 基于織物面內(nèi)應(yīng)變、紗線本身應(yīng)變及彎曲變形提出了 膜材料拉伸行為的三角桁架模型，然而該模型僅限于解決經(jīng)、緯向幾 何參數(shù)相同的膜材料，且沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證其模型的準(zhǔn)確性。于是， s t u b b s 等1 3 6 1 經(jīng)過對(duì)三角桁架模型的改進(jìn)，建立了一個(gè)穩(wěn)定的幾何非 線性空間桁架模型，用桿件來模擬涂層織物中的各元件，通過分析節(jié) 點(diǎn)的自由度，可得出彈性常數(shù)矩陣。如果在x y 平面( 如圖4 3 所示) 的節(jié)點(diǎn)1 4 的任意方向上加載荷，則共有1o 個(gè)自由度；若正 交加載荷，則自由度下降為6 個(gè)，即共有6 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的自由 度為l 。因此，彈性常數(shù)為6 x 6 的矩陣。然而，該類模型的變形機(jī)制 只考慮紗線的轉(zhuǎn)動(dòng)、紗線和涂層材料的拉伸伸長(zhǎng)，忽略了紗線與涂層 材料之間的滑移及脫粘現(xiàn)象，以及紗線之間的摩擦及屈曲變形。在連 9 第二章文獻(xiàn)綜述 續(xù)的應(yīng)力和應(yīng)變情況下，s t u b b s 和t h o m a s 3 7 】用連續(xù)的方程來反映紗 線屈曲轉(zhuǎn)換、伸長(zhǎng)、以及涂層材料的伸長(zhǎng)對(duì)非線性本構(gòu)關(guān)系的影響， 建立了三角桁架模型。該模型是通過對(duì)膜材料的拉伸實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)力 一應(yīng)變曲線，取其中的三個(gè)點(diǎn)代入模型，解出本構(gòu)模型的拉伸性能參 數(shù)。再將這些參數(shù)代入本構(gòu)方程，來預(yù)測(cè)膜材料的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系。 膜材料拉伸的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)出一些特殊的性質(zhì)，諸如在較 低應(yīng)力水平下模量較高、曲線上升趨勢(shì)突然改變以及存在不可回復(fù)的 應(yīng)變等，這些特性主要來源于膜材料的彈塑性性能，因而用非線性彈 性變形本構(gòu)模型來預(yù)測(cè)雙軸拉伸的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系與實(shí)際結(jié)果之間 存在較大的差距。于是，s t u b b s 和t h o m a s 3 8 】【3 9 】，【4 0 】在非線性彈性本 構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了涂層材料的非線性變形，提出了有關(guān) 膜材料雙軸拉伸的非線性彈塑性本構(gòu)模型，分析了紗線和涂層材料的 塑性變形對(duì)膜材料本構(gòu)關(guān)系的影響。從實(shí)際效果來看，改進(jìn)的模型在 受低水平應(yīng)力下，模型的預(yù)測(cè)值更接近于實(shí)驗(yàn)值。 由于空間桁架模型中將紗線和涂層分別模擬成桿構(gòu)件，因而 s t u b b s 和t h o m a s 在有關(guān)膜材料的非線性彈塑性變形本構(gòu)關(guān)系分析 中，為了簡(jiǎn)化模型計(jì)算的復(fù)雜性，忽略了紗線的塑性變形，而將涂層 材料的彈塑性和涂層與紗線之間可能發(fā)生的脫粘現(xiàn)象等仍看成線彈 性工作元件。通過改進(jìn)已有的非線性彈性本構(gòu)關(guān)系模型，獲得了反映 非線性彈塑性變形的本構(gòu)模型，并分析了加載和卸載兩種情況下本構(gòu) 關(guān)系的預(yù)測(cè)情況。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可以看出，模型能大致地預(yù)測(cè)出 在較低應(yīng)力水平下較高的模量，以及曲線突然發(fā)生較大變化等趨勢(shì)， 但預(yù)測(cè)結(jié)果并不準(zhǔn)確。 k e t o 4 l 】通過改變紗線的幾何結(jié)構(gòu)模型，建立了梯形桁架模型。 j u l i o 等【4 2 】通過改進(jìn)k e t o 的模型，推出了更為復(fù)雜的紗線幾何結(jié)構(gòu)模 型，以建立反映膜材料拉伸的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的本構(gòu)模型。 縱觀以上的研究工作，現(xiàn)有模型都是以結(jié)構(gòu)單元中的紗線及涂層 材料的拉伸性能為基礎(chǔ)的。然而，織物在經(jīng)涂層加工成膜材料的過程 中，經(jīng)紗受到較大的拉伸作用力，而緯紗則往往處于自由狀態(tài)，經(jīng)向 1 0 第二章文獻(xiàn)綜述 的拉伸使織物經(jīng)向伸長(zhǎng)，緯向收縮，經(jīng)緯紗的屈曲波高及經(jīng)緯紗密度 都發(fā)生了變化，即織物幾何結(jié)構(gòu)相發(fā)生了較大的變化。 機(jī)織建筑膜材料是一種柔性復(fù)合材料，表現(xiàn)為非線性、彈塑性及 大變形的力學(xué)行為，使經(jīng)典層板理論難以適應(yīng)。而且，膜材料的細(xì)觀 幾何結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的，而層板理論不能對(duì)其作充分的分析。因此， 上世紀(jì)7 0 、8 0 年代，t e s t a 、s t u b b s 和s p i l l e r s 等人開始對(duì)膜材料的 細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。本文將從上述的研究基礎(chǔ)上，通過研究織物的 拉伸力學(xué)性能、細(xì)觀幾何結(jié)構(gòu)而建立了膜材料的拉伸力學(xué)本構(gòu)模型。 第三章材料性能測(cè)試及分析 第三章材料性能測(cè)試及分析 通過紗線、織物的拉伸測(cè)試，數(shù)值計(jì)算出拉仲本構(gòu)模瓔參數(shù)，包 括彈性常數(shù)及應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)；通過織物及膜材料橫截面的測(cè)試，計(jì)算出 應(yīng)受轉(zhuǎn)折點(diǎn)的變化量。根據(jù)上述分析，建立本構(gòu)模型預(yù)測(cè)膜材利的扣 伸陛能，填p v c p e s 膜材料的拉伸測(cè)試柬證實(shí)模型預(yù)洲值的u j 靠性。 31 試驗(yàn)材料 本課題的試驗(yàn)材料p v c p e s 膜材料及相應(yīng)的織物魁布是由r 海 申達(dá)科寶新材料有限公司提供增強(qiáng)材料為p e s 紗制成的織物基布， 基體為p v c 樹脂。 表3 1 試樣參數(shù) 籬警產(chǎn)( 織g 物c 質(zhì)m 量z ) ：謦c m 三嫠篇暑懶( r a m ) 2 4 ( d )( c m “) r 一、 度( m m ) 。一 32 橫截面測(cè)試試驗(yàn) 織物及膜材料橫截面的測(cè)試旨在分析織物在經(jīng)涂層加工成膜材 料過程中由于經(jīng)向拉伸而導(dǎo)致的織物經(jīng)向的伸長(zhǎng)量及緯向的收縮量， 以及由于織物兒何結(jié)構(gòu)相的變化而導(dǎo)致的拉伸性能的變化。 試驗(yàn)采用三維視頻顯微鏡，設(shè)備型號(hào)為k h 10 0 0 ( 美國科視達(dá)產(chǎn) 品) ，放大倍數(shù)5 0 倍。 膜材料經(jīng)、緯向橫截面分別見圖3 1 和圖3 2 。對(duì)比表明經(jīng)向橫 截面的緯紗屈曲波高要高于緯向橫截面的經(jīng)紗屈曲波高。 圖3 1 膜材料經(jīng)向橫截面 第j 章材料性能測(cè)e 分析 圖3 2 膜材料緯向橫截面 織物經(jīng)、緯向橫截面分別見圖3 3 和圖34 。對(duì)比結(jié)果表明，涂 層前經(jīng)緯紗線的屈曲波高基本一致。 圖3 3 織物經(jīng)向橫截面 圖3 4 織物緯向橫截面 織物及膜材料的橫截面( 如圖3 1 圖3 4 ) 對(duì)比表明，織物經(jīng)涂 層加_ t 成膜材料后，由于經(jīng)向拉伸作用，使織物經(jīng)緯紗屈曲轉(zhuǎn)換變形 由涂層前經(jīng)緯紗屈曲波高幾乎一致到涂層后經(jīng)緯紗屆曲波高相差較 大具體參見表3 - 2 。 表3 2 織物及膜材料的屈曲波高 第三章材料性能測(cè)試及分析 3 3 拉伸試驗(yàn)測(cè)試 對(duì)織物( 涂層前) ，紗線( 織物中抽出的經(jīng)緯紗線) 及膜材料拉 伸測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)采用微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，設(shè)備型號(hào)為 c m t 5 2 0 4 ，加載速度為2 r a m r a i n ，測(cè)試執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)【43 1 ：g bl4 4 7 8 3 。 膜材料經(jīng)向和緯向各5 個(gè)試樣，夾持寬度為4 0 m m ，夾持距離為 2 0 0 m m 。加載至2 0 2 5 的斷裂強(qiáng)度( u t s ) 后卸載，三次加卸載循 環(huán)后再拉伸至斷裂。記錄整個(gè)過程中的應(yīng)力和應(yīng)變。經(jīng)、緯紗各8 個(gè) 試樣，夾持距離為2 0 0 r a m ?？椢锝?jīng)、緯向各8 個(gè)試樣，夾持寬度為 4 0 m m ，夾持距離為2 0 0 m m 。 3 3 1 紗線拉伸載荷一變形曲線 經(jīng)、緯紗線在受到外界載荷作用時(shí)，其載荷一變形曲線如圖3 5 所示( 圖中下標(biāo)“w 表示經(jīng)紗，“f 表示緯紗，下同) 。從圖3 5 中可以看出，雖然經(jīng)、緯紗加工成織物的工藝流程不同，但在較小 的應(yīng)變范圍內(nèi)( 本例中，e l1 ) ，從織物中拆取的經(jīng)、緯紗線的拉 伸曲線具有良好的一致性。從圖中還可以看出，經(jīng)、緯紗線的拉伸曲 線都有明顯的應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)：經(jīng)紗為c w 、d w ，緯紗為c f 、d f ，且經(jīng)、 緯紗應(yīng)變轉(zhuǎn)折點(diǎn)的位置基本重合。 ， 邑 c 0 療 巴 歷 圖3 5 紗線拉伸載荷變形曲線 1 4 第三章材料性能測(cè)試及分析 3 3 2 織物拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線 涂層前織物的經(jīng)、緯向拉伸曲線見圖3 6 。從圖中可以看出， 織物緯向受到拉伸載荷作用時(shí)，應(yīng)力二應(yīng)變曲線的變化可以描述如 下：0 a f 段曲線斜率逐漸變大，當(dāng)應(yīng)變量增大到a f 點(diǎn)時(shí)，曲線斜率 突然增大；a f b f 段曲線斜率基本保持不變；當(dāng)應(yīng)變量增大到b f 點(diǎn) 時(shí)，曲線斜率又有所減??；b f 點(diǎn)以后，斜率基本保持不變。緯向拉伸 性能的特征表明，在初始拉伸條件下，織