機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶靜、動(dòng)態(tài)加載下拉伸力學(xué)性能研究及數(shù)值模擬.pdf

1、與傳統(tǒng)的剛性紡織復(fù)合材料相比，織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料具有大變形、高承載能力及良好的抗疲勞性能等優(yōu)點(diǎn)。織物芯輕型輸送帶作為一種由織物為增強(qiáng)骨架材料，表面涂覆高分子材料制備而成的織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料，在使用過程中，不儀起到承載物料的作用，同時(shí)還起到傳遞動(dòng)力和牽引力的作用。作為帶式輸送機(jī)的關(guān)鍵部件之一，織物芯輕型輸送帶需具有優(yōu)良的力學(xué)性能，因而全面研究織物芯輕型輸送帶的力學(xué)性能，對(duì)帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和織物芯輸送帶的制備加工均具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義

2、。
　　 目前，對(duì)織物芯輕型輸送帶力學(xué)性能研究的方法基本上與建筑膜材料和簾線增強(qiáng)橡膠類柔性復(fù)合材料相似，但側(cè)重點(diǎn)有所不同。基于此，本文以機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶為研究對(duì)象，針對(duì)織物芯輕型輸送帶的使用條件和對(duì)力學(xué)性能的要求，對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行更加深入的研究，以期把握機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶拉伸力學(xué)性能的特點(diǎn)，為機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的使用和加工提供參考和依據(jù)。同時(shí)，也寄希望對(duì)織物增強(qiáng)類柔性復(fù)合材料力學(xué)性能的研究做進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善，為更加全面

3、把握織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料的力學(xué)性能添磚加瓦。
　　 本文主要對(duì)機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶在單軸向-偏軸向加載條件下的力學(xué)性能(包括非線性、非彈性、加載各向異性、缺口敏感性、低周疲勞性能)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析，并基于織物幾何模型對(duì)2.5D機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的拉伸性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文主要研究?jī)?nèi)容可概況如下：
　　 (1)拉伸行為特性及破壞機(jī)理
　　 論文對(duì)機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶材料在單軸-偏軸向作用力下的拉伸性能進(jìn)

4、行了試驗(yàn)測(cè)試與理論分析，結(jié)果表明，機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的拉伸力學(xué)性能具有明顯的非線性，其拉伸曲線根據(jù)各區(qū)域的非線性程度可采用三段式模型來(lái)描述，低應(yīng)力下的非線性特征可用雙線性模型來(lái)表征。此外，基于多層織物增強(qiáng)柔性復(fù)合材料拉伸受力模型的變形機(jī)理和測(cè)試原理，對(duì)機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶在低應(yīng)變下所產(chǎn)生的雙線性原因進(jìn)行了較為全面的分析。
　　 基于反復(fù)加載/卸載曲線，對(duì)機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶在不同加載水平和加載/卸載次數(shù)下的非彈性和非線性進(jìn)行了

5、研究和分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的非彈性程度與循環(huán)加載載荷水平和加載/卸載次數(shù)密切相關(guān)，即使在小加載載荷水平下(15％最大抗拉強(qiáng)力)，50次反復(fù)加載后，相對(duì)殘余變形指數(shù)β達(dá)到18.05％，表現(xiàn)出明顯的非彈性特征。各加載載荷水平下的最大變形量1max、殘余變形量1min和相對(duì)殘余變形指數(shù)β隨加載/卸載次數(shù)N的變化關(guān)系可用冪函數(shù)來(lái)表示。從分析結(jié)果可以看出，為確保機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶運(yùn)行平穩(wěn)、使用可靠，需對(duì)使用過程中所產(chǎn)生非彈性

6、的程度加以控制，在運(yùn)行時(shí)間不變的前提下，非彈性變形程度可通過減少加載載荷水平來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)各加載曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的彈性模量和屈服強(qiáng)度隨著加載次數(shù)之間的變化關(guān)系可分別用冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)來(lái)表示。同時(shí)加載曲線的線性程度隨著加載/卸載次數(shù)的增加而有所提高，且加載載荷水平越高時(shí)，線性化程度的提高表現(xiàn)得越明顯。
　　 對(duì)不同加載速度下的拉伸性能指標(biāo)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶具有明顯的加載速度依賴性，即應(yīng)變率相關(guān)性。

7、隨著加載速度的增加，其抗拉強(qiáng)度、彈性模量、屈服強(qiáng)度隨之增加，而斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減少，失穩(wěn)應(yīng)變基本保持不變，能量吸收特性的變化較為復(fù)雜。
　　 論文對(duì)7個(gè)偏軸向加載下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶可認(rèn)為是一種平面正交各向異性材料。其破壞模式與機(jī)織建筑膜材料相似，可分為純拉伸失效、純剪切失效及拉-剪混合失效三種失效模式。Tsai-Hill強(qiáng)度失效準(zhǔn)則可用于預(yù)測(cè)純拉伸或純剪切失效模式下的強(qiáng)度預(yù)測(cè)，但不適用于拉剪混合失

8、效模式，并基于拉伸變形機(jī)理對(duì)不適用的原因進(jìn)行了分析。余弦調(diào)和級(jí)數(shù)可較好地預(yù)測(cè)各種失效模式下的失效強(qiáng)度，且能反映出抗拉強(qiáng)度、彈性模量及失效伸長(zhǎng)率之間的非同相性。
　　 (2)缺口敏感性及斷裂力學(xué)的應(yīng)用
　　 輕型輸送帶的表面損傷或內(nèi)部缺陷在使用過程不斷萌生、擴(kuò)展，而最終導(dǎo)致其斷裂破壞或失效，因而對(duì)預(yù)置損傷試樣在外加載荷下的拉伸力學(xué)性能和破壞機(jī)理進(jìn)行研究具有實(shí)際意義，對(duì)工程技術(shù)人員選擇材料以及加工工藝提供可靠的依據(jù)，同時(shí)也是

9、輕型輸送帶材料可靠性研究中的重要一環(huán)。
　　 論文以機(jī)織平紋為增強(qiáng)骨架材料的輕型輸送帶為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)預(yù)置裂紋型切口(單邊、雙邊及中心切口)和中心圓孔拉伸試樣的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶具有強(qiáng)烈的缺口敏感性，且缺口敏感性與切口類型和切口深度密切相關(guān)。在本論文的試驗(yàn)條件下，相對(duì)于中心圓孔切口，機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶對(duì)裂紋型切口最為敏感，其中對(duì)單邊切口敏感性程度最高，而雙邊切口相對(duì)較低。對(duì)拉伸曲線和拉伸過程進(jìn)行

10、分析發(fā)現(xiàn)，切口試樣的斷裂模式具有一定的規(guī)律性，在低速外加載荷作用下，切口根部紗線逐根斷裂，導(dǎo)致其拉伸曲線呈現(xiàn)明顯的多峰特性，基于此，可認(rèn)為拉伸曲線初始峰對(duì)應(yīng)的強(qiáng)力為切口擴(kuò)展臨界強(qiáng)力。同時(shí)，采用斷裂力學(xué)理論對(duì)切口試樣的斷裂韌性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果也表明，機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的斷裂韌性與切口類型密切相關(guān)。此外，在對(duì)切口試樣拉伸斷裂過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，嘗試解釋了不同類型切口試樣的切口敏感性程度存在差異性的原因。
　　 對(duì)切口敏感性進(jìn)行

11、研究表明，在使用過程中，需對(duì)機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的附加損傷形式和尺寸進(jìn)行控制，以確保機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶在運(yùn)行過程中具有較高的可靠性和安全性。
　　 (3)低周疲勞性能及疲勞壽命分布
　　 雖然在設(shè)計(jì)和使用時(shí)，通常選用較高的安全系數(shù)以確保輕型輸送帶具有較高的可靠性和安全性，但在啟動(dòng)階段或過載情況下，輕型輸送帶的實(shí)際承載載荷遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)強(qiáng)力，這將明顯地縮短輸送帶的使用壽命。基于此，論文對(duì)機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶在高加載載荷下的低

12、周疲勞性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的低周疲勞壽命曲線可用S-N曲線來(lái)表示。以動(dòng)態(tài)蠕變和動(dòng)態(tài)殘余變形為累積損傷變量時(shí)，其變化過程表明機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶材料的疲勞累積損傷具有明顯的非線性，即表明損傷發(fā)展過程可用非線性累積損傷理論來(lái)描述，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的疲勞累積損傷具有明顯的階段性。疲勞加載載荷水平和交變載荷比的增加不僅會(huì)縮短機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的疲勞壽命，同時(shí)還會(huì)弱化疲勞累積損傷的階段性，以及改變疲勞

13、壽命分散性。在高疲勞水平下的殘余抗拉強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度的劣化也直接或間接地反映了疲勞加載對(duì)機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶機(jī)械性能的劣化作用。
　　 疲勞是一個(gè)隨機(jī)現(xiàn)象，材料或結(jié)構(gòu)的疲勞壽命一般取決于材料的性能、疲勞裂紋萌生部位的幾何形狀，應(yīng)力-應(yīng)變歷史、測(cè)試環(huán)境以及其它隨機(jī)因素，因此常規(guī)的分析方法無(wú)法客服疲勞過程的隨機(jī)性，疲勞過程的隨機(jī)性導(dǎo)致了疲勞壽命的高分散性，這給疲勞壽命的評(píng)價(jià)帶來(lái)了極大的困難，因此需借助概率統(tǒng)計(jì)的方法。論文嘗試采用三參數(shù)

14、Weibull模型對(duì)機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶的疲勞壽命進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并采用一階灰色建模法對(duì)統(tǒng)計(jì)模型的參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)，K-S檢驗(yàn)法的結(jié)果驗(yàn)證了所選用模型的可行性和參數(shù)估值方法的科學(xué)性。
　　 (4)拉伸力學(xué)性能的數(shù)值模擬
　　 為更加深入地研究織物增強(qiáng)輕型輸送帶材料的在拉伸載荷作用下的變形機(jī)理，論文采用幾何建模軟件并結(jié)合點(diǎn)控制的建模思想建立了2.5D機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶材料的幾何模型，并嘗試基于孤立網(wǎng)格部件對(duì)其拉伸力學(xué)性能進(jìn)

15、行了數(shù)值模擬。
　　 由于幾何建模和數(shù)值模擬分析時(shí)的簡(jiǎn)化假設(shè)，導(dǎo)致了模擬結(jié)果在1.00％應(yīng)變以上時(shí)，與實(shí)測(cè)結(jié)果之間存在差異性。數(shù)值模擬結(jié)果反映了2.5D機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶材料在初始階段的變形主要源自經(jīng)紗屈曲結(jié)構(gòu)的改變，隨著加載應(yīng)變的增加，經(jīng)紗伸長(zhǎng)逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。同時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果還表明，2.5D機(jī)織物增強(qiáng)輕型輸送帶中緯紗主要起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和約束經(jīng)紗屈曲結(jié)構(gòu)改變的作用，對(duì)拉伸性能的作用并不明顯。
　　 此外，論文還對(duì)2.5