機織建筑膜材料拉伸性能研究——從單軸、雙軸到多軸.pdf

1、隨著膜結(jié)構(gòu)建筑的廣泛應(yīng)用，建筑膜材料的力學性能研究愈來愈受到關(guān)注。相比經(jīng)編類建筑膜材料，機織建筑膜材料的基布組織結(jié)構(gòu)多為平紋或方平，織造工藝簡單，尤其適合玻璃纖維織物類建筑膜材料的生產(chǎn)，應(yīng)用更為廣泛。建筑膜材料不同于一般的建筑材料，它是一種柔性的涂層織物復(fù)合材料，需要依賴膜的特定張拉形狀才能承受載荷。建筑膜材料在各種拉伸載荷作用下的拉伸性能對于指導膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計和構(gòu)建非常必要，因而，本課題圍繞機織建筑膜材料在單軸、雙軸和多軸拉伸載荷作用下

2、的力學性能展開研究。
　　 通過對機織建筑膜材料的單軸、雙軸和多軸拉伸試驗，研究膜材料在各種拉伸載荷作用下的力學性能，以期實現(xiàn)：(1)探索獲得膜材料在各種載荷作用下的拉伸力學行為的測試方法，為建立膜材料在雙軸和多軸拉伸載荷作用下拉伸測試標準提供參考；(2)把握建筑膜材料在各種載荷作用下的拉伸力學行為特征，為膜結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計和施工提供更適用可靠的材料性能參數(shù)。
　　 論文對機織建筑膜材料在單軸一偏軸拉伸力作用下的拉伸性能進

3、行了分析，結(jié)果表明，在低拉伸應(yīng)力和拉伸破壞應(yīng)力作用下，膜材料的拉伸行為都表現(xiàn)出明顯的各向異性特性和非線性特征。在低拉伸應(yīng)力作用下，三次加/卸載循環(huán)后，膜材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系線性程度大大提高。實驗獲得的膜材料彈性常數(shù)基本滿足正交各向異性彈性材料在偏軸拉伸力作用下的本構(gòu)關(guān)系，證明了在低拉伸應(yīng)力作用下，在三次加/卸載后，機織建筑膜材料可以被看作為正交各向異性的彈性材料，為推導機織建筑膜材料的雙軸拉伸彈性模量估算式提供了理論依據(jù)。從對機織建

4、筑膜材料在拉伸破壞應(yīng)力作用下的破壞模式分析中知，膜材料的破壞模式有三種：純拉伸破壞、純剪切破壞和拉伸-剪切混合型破壞等。利用Tsai-Hill強度準則可以對純拉伸或純剪切破壞模式下的膜材料斷裂強度做出較好的預(yù)測，但該準則不適合對拉剪混合型破壞模式下膜材料斷裂強度的預(yù)測。
　　 在膜結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用過程中，膜材料的受力往往來自兩個甚至多個方向，雙軸拉伸試驗成為深入了解膜材料拉伸力學特性的重要測試方法。然而，迄今仍未有國際認可的有關(guān)膜材

5、料雙軸拉伸試驗的測試標準。論文通過合理設(shè)計并實施一系列的雙軸拉伸試驗，研究了拉伸測試中應(yīng)變測試方法、應(yīng)變測試位置和試樣尺寸等測試因素對測試結(jié)果的影響。分析得出，在雙軸拉伸測試中，應(yīng)用接觸式的針式應(yīng)變計能正確反映測試結(jié)果；為避免測試位置對測試結(jié)果的可能影響，應(yīng)變計的測試位置應(yīng)盡可能地靠近試樣的中心線位置；在測量精度較高的情況下，雙軸拉伸試樣尺寸可以縮小至中心區(qū)域尺寸為60 mm×60mm，不會對測試結(jié)果造成明顯影響，同時可節(jié)省試樣材料。<

6、br>　　 論文分析了機織建筑膜材料在雙軸拉伸循環(huán)載荷作用下的拉伸行為，以及在不同的雙軸向應(yīng)力加載比率下，拉伸殘余變形的回復(fù)情況。研究表明，機織建筑膜材料的雙軸拉伸行為受到加載條件影響顯著，且隨著拉伸循環(huán)載荷次數(shù)的增加，膜材料的線性化程度和彈性化程度都得到了較大的改善，但經(jīng)緯兩向拉伸行為(拉伸彈性模量和拉伸彈性回復(fù)性)存在明顯的不對稱性，這主要源自基布材料(織物)的結(jié)構(gòu)和性能以及涂層過程中的拉伸作用對膜材料拉伸力學行為的影響。研究還表

7、明，在雙軸拉伸條件下，在膜材料的經(jīng)緯向結(jié)構(gòu)和力學性能如本文所示的不對稱的情況下，經(jīng)緯兩向應(yīng)力加載比率小于1的載荷條件不利于膜材料在膜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，這在設(shè)計和施工中應(yīng)盡力予以避免。
　　 根據(jù)假設(shè)：低應(yīng)力循環(huán)載荷作用后機織建筑膜材料可近似地看作為正交各向異性的線彈性材料，論文推導了機織建筑膜材料在雙軸向拉伸載荷作用下拉伸彈性模量的估算方程式，結(jié)合雙軸拉伸實驗結(jié)果，驗證得：用機織建筑膜材料的單軸拉伸彈性常數(shù)可以估算出膜材料在主應(yīng)力方

8、向(雙軸向中應(yīng)力加載較大的方向)上的彈性模量值。
　　 論文還介紹了對機織建筑膜材料的多軸拉伸測試及多軸拉伸性能的研究。分析了多軸拉伸測試條件對拉伸測試結(jié)果的影響，如：試樣的形狀、尺寸和測試速度等。研究結(jié)果表明，在多軸拉伸測試中，拉伸試樣形狀和尺寸的選擇對有效地把握膜材料多軸拉伸性能至關(guān)重要。分析得知，具有較大夾持臂寬度的齒輪型多軸拉伸試樣有利于膜材料多軸拉伸性能測試研究；只有在較低的拉伸測試速度(低于20 mm/min)下，才

9、能測得更為真實詳盡的膜材料多軸拉伸性能曲線。
　　 論文還對同一種機織建筑膜材料進行了單軸、雙軸和多軸拉伸性能測試，分析對比了在單軸、雙軸和多軸加載條件下的拉伸性能差異。分析表明，加載條件對機織建筑膜材料的拉伸性能影響顯著。在膜材料的應(yīng)用中，應(yīng)全面考慮膜材料在各種加載條件下的拉伸性能，以便提高膜材料的使用效率，減少因此而帶來的結(jié)構(gòu)隱患。
　　 從實驗分析的角度，論文介紹了帶有中心裂縫的機織建筑膜材料在多軸拉伸測試條件下的