涂层织物类建筑膜材料的本构关系模型研究

摘要

涂层织物类建筑膜材料（以下简称“膜材”）由于其多组分材料的协同受力及复杂的编织工艺，使其力学性能呈现显著的非线性，主要包括组分材料自身性能的材料非线性、拉伸过程中编织结构卷曲转换的几何非线性及拉伸过程中保证各组分材料间协同受力的摩擦接触非线性。而现行设计中大多采用线弹性假定，与实际情况存在偏差，降低了膜结构设计计算的精确度。因此十分有必要深入研究膜材的力学性能，准确把握材料的本构关系模型，为保障膜结构的安全、完善膜结构理论提供理论依据。为深入掌握膜材的本文采用力学试验、理论分析及数值分析相结合的研究手段对涂层织物类建筑膜材料的力学性能及本构模型展开了一系列研究。 （1）膜材的偏轴拉伸性能及破坏机理研究。进行了膜材的偏轴拉伸试验，主要考虑了0°、5°、15°、25°、35°、45°、55°、65°、75°、85°、90°等11个偏轴角度和10mm/min、25mm/min、50mm/min、100mm/min、200mm/min、500mm/min等6种拉伸速率，得到了了主要力学参数的变化规律，研究了不同拉伸速率下的膜材破坏模式及破坏机理，重点研究了偏轴角度、拉伸速率等对材料破坏强度的影响规律，并探讨了现有强度准则的适用性。 （2）含初始缺陷的膜材的力学性能研究。设计进行了含初始缺陷试件单轴拉伸试验，主要分析了初始缺陷形状、缺陷尺寸、拉伸速率及试件尺寸等因素的影响，讨论了膜材的破坏模式及撕裂机理。在此基础上，建立含初始缺陷的膜材撕裂分析模型，对含初始细条形及圆形缺陷试件撕裂强度进行了预测，并与临界应力场理论、泰勒经验理论及应力集中因子理论等进行了对比分析。 （3）能够反映复杂加载历史的膜材宏观正交各向异性本构关系模型。基于膜材的基本力学性能试验，建立能贴合实际的唯象宏观正交各向异性非线性本构模型。模型中以应变作为变量，采用多项式函数分别描述了经、纬向单轴拉伸及面内剪切荷载下材料的应力-应变关系，以及卸载状态下刚度变化规律。通过ABAQUS有限元软件中的UMAT子程序实现该模型，可以完整描述膜材的加载非线性和卸载线性的应力-应变关系特征，并考虑加卸载历史的影响。分别通过试件及结构力学性能试验进行了预测对比分析，研究表明预测结果与试验结果吻合较好，验证了该模型的有效性。 （4）膜材的超弹性本构关系模型研究。基于纤维增强连续介质力学，建立了能反映膜材各向异性力学行为的超弹性本构模型。该模型将总应变能解耦为易于参数识别的经、纬向纤维束拉伸应变能和纤维束间剪切应变能等两部分，通过纤维束的方向向量来记录膜材在拉剪耦合应力作用下纤维束方向的变化，在此基础上推导出了适用于涂层织物类膜材偏轴拉伸的模型工程应用一般表达式，确定了模型参数的获取方法，并通过不同角度的偏轴拉伸曲线进行了验证。结合ABAQUS有限元软件中的子程序实现该模型，对偏轴45°夹持堆载试验进行了预测，预测结果与试验结果吻合较好，验证了该模型的有效性。

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摘要

Abstract

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Contents

图清单

表清单

变量注释表

1 绪论

1 Introduction

1.1 研究背景及意义（Backgrounds and Significances）

1.2 涂层织物类膜材力学性能研究进展（Current research situation of mechanical properties of coated fabrics）

1.2.1 基本力学性能指标及测试方法

1.2.2 环境、耐久性能研究

1.2.3 撕裂性能研究

1.3 涂层织物类膜材本构关系模型研究进展（Current research situation of constitutive model of coated fabrics）

1.3.1 静力拉伸本构关系模型

1.3.2 粘弹性本构关系模型

1.4 编织复合材料损伤失效分析研究进展（Current research situation of damage analysis of woven composites）

1.5 当前研究中存在的主要问题（Main problems in current researches）

1.5.1 复杂应力状态下膜材力学性能及破坏机理研究

1.5.2 含初始缺陷膜材力学性能及破坏机理研究

1.5.3 膜材宏观本构关系模型研究

1.6 本文的研究内容及创新点（Research contents and innovations）

1.6.1 研究内容

1.6.2 本文主要创新点

2 涂层织物类膜材偏轴拉伸性能及破坏机理研究

2 Off-axial tensile behaviors and failure mechanisms of coated fabrics

2.1 概述（Introduction）

2.2 偏轴拉伸试验（Off-axial tensile tests）

2.2.1 试样及装置

2.2.2 试验方案

2.3 试验结果及分析（Results and discussions）

2.3.1 偏轴拉伸曲线

2.3.2 破坏模式及机理研究

2.3.3 拉伸速率

2.4 强度准则（Strength Criterion）

2.5 本章小结（Conclusions）

3 含初始缺陷涂层织物类膜材中心撕裂性能研究

3 Central tearing behaviors of coated fabrics with initial notch

3.1 概述（Introduction）

3.2 中心撕裂试验（Central tearing tests）

3.2.1 试验试样及装置

3.2.2 试验方案

3.3 试验结果及分析（Results and discussions）

3.3.1 撕裂曲线

3.3.2 试件尺寸效应

3.3.3 撕裂模式及机理研究

3.3.4 缺陷形状及角度

3.3.5 拉伸速率

3.4 撕裂模型（Tearing model）

3.4.1 撕裂模型

3.4.2 验证分析

3.5 本章小结（Conclusions）

4 涂层织物类膜材唯象非线性本构模型研究

4 A phenomenological nonlinear constitutive model for coated fabrics

4.1 概述（Introduction）

4.2 唯象本构模型（Phenomenological constitutive model）

4.2.1 加卸载力学性能

4.2.2 应力-应变关系

4.2.3 失效准则

4.3 模型参数（Model parameter）

4.3.1 试验方案

4.3.2 试验结果

4.3.3 参数获取

4.4 模型有限元实现（Finite element implementation of the model）

4.5 模型验证（Validation of the model）

4.5.1 试件力学行为

4.5.2 结构力学行为

4.6 本章小结（Conclusions）

5 涂层织物类膜材各向异性超弹性本构模型研究

5 An anisotropic hyperelastic constitutive model for coated fabrics

5.1 概述(Introduction)

5.2 各向异性超弹性本构模型(Anisotropic hyperelastic constitutive model)

5.2.1 一般表达式

5.2.2 涂层织物类膜材工程应用一般表达式

5.3 模型参数（Model parameter）

5.3.1 拉伸应变能参数

5.3.2 剪切应变能参数

5.3.3 偏轴拉伸曲线预测

5.4 偏轴45 夹持静力堆载试验验证（Verification of static loading test on off-axial 45 degree clamping）

5.4.1 试验装置

5.4.2 加载测量方案

5.4.3 试验结果

5.4.4 有限元模型分析

5.5 本章小结（Conclusions）

6 结论与展望

6 Conclusions and Outlook

6.1 结论(Conclusions)

6.2 展望(Outlook)

参考文献

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