本發(fā)明涉及一種預(yù)測方法，具體涉及一種用于涂層織物膜材黏彈性本構(gòu)行為的預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

膜結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用已有十余年的歷史，在這期間，我國在膜結(jié)構(gòu)的計算與設(shè)計理論、制作與工程實(shí)踐方面取得了長足的進(jìn)步，并編制出版了設(shè)計與檢測技術(shù)規(guī)程。目前，國內(nèi)已經(jīng)具備了針對大型工程自行進(jìn)行計算、設(shè)計、制作、安裝、檢測與監(jiān)測等各項工作的能力。但是，相對而言，針對膜結(jié)構(gòu)材料本構(gòu)關(guān)系及基本材料性能等基礎(chǔ)研究方面的工作十分薄弱。膜面作為結(jié)構(gòu)的一部分，大都暴露在空氣中，其不可避免地要受到風(fēng)荷載的作用，風(fēng)荷載對膜結(jié)構(gòu)的作用主要表現(xiàn)為循環(huán)荷載作用。這必然會使膜材產(chǎn)生殘余變形，減小膜材原有的預(yù)張力，影響到膜材的使用。尤其對于張拉膜結(jié)構(gòu)體系，預(yù)張力是膜面成形并具備整體剛度的必要條件，預(yù)張力的損失亦會給結(jié)構(gòu)安全性造成影響，輕者局部膜面出現(xiàn)褶皺，重者使結(jié)構(gòu)喪失整體剛度而破壞。因此研究建筑膜材料在循環(huán)應(yīng)力下的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律等，是確定膜材強(qiáng)度設(shè)計值、膜結(jié)構(gòu)裁剪縮小率、張力調(diào)節(jié)裝置等的重要前提。

張拉膜結(jié)構(gòu)中主要應(yīng)用的是涂層織物類膜材。涂層織物類膜材由基層、涂層和面層三部分組成。其中基層由各種織物纖維編織而成，決定膜材的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。涂層和面層保護(hù)基層，且具有自潔、抗污染、耐久性等作用?；鶎拥木幙椑w維相互垂直，分別為經(jīng)向纖維和緯向纖維，兩個方向的力學(xué)性能差異較大。因此涂層織物類膜材具有明顯的非線性、非彈性、各向異性以及黏彈性等特性。相比傳統(tǒng)材料來講，膜材料本構(gòu)關(guān)系的確定是材料力學(xué)性能研究的重中之重。

目前，關(guān)于膜材料黏彈性性能的研究，主要集中在初始應(yīng)力、溫度等參數(shù)對材料黏彈性性能的影響。如:zhang等對不同溫度及初始應(yīng)力下的pvc膜材應(yīng)力松弛性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著溫度和初始應(yīng)力的增加，膜材料的黏彈性行為更加明顯。張伍連等對pvc膜材進(jìn)行了不同應(yīng)力下的蠕變試驗，并采用kelvin-voigt模型對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，發(fā)現(xiàn)隨著模型參數(shù)的增加，預(yù)測效果越好。孟雷等進(jìn)行了不同初始應(yīng)力下涂層織物類膜材的蠕變及其應(yīng)力松弛性能，并且將其引入自編程序的數(shù)值分析中，對張拉成形曲面的應(yīng)力松弛性能進(jìn)行了研究，得到了較好的預(yù)測效果，同時也指出，應(yīng)考慮張拉過程中的黏彈性。

對于黏彈性材料，常用黏彈性本構(gòu)關(guān)系模型主要有：maxwell模型、kelvin模型以及burgers模型等。其中maxwell模型是采用彈簧元件和粘性元件(阻尼件)的串聯(lián)體反映材料的黏彈性特征。kelvin模型也稱voigt模型，它采用彈簧元件和粘性元件的并聯(lián)體反映材料的黏彈性性能。burgers模型是由一個maxwell模型和一個kelvin模型串聯(lián)而成的組合模型，因其含有四個元件，故也被稱作四元件模型。其特點(diǎn)就是兼取maxwell模型和kelvin模型各自的長處并抑制各自的短處，以求建立一個更能反映材料黏彈性行為的新模型。

以下是三種常用黏彈性模型的加載、卸載本構(gòu)方程：

加載：

maxwell模型

卸載：

加載：

kelvin模型

卸載：

加載：

burgers模型

卸載：

其中，三個公式中的同一符號表示同一含義，即：ε為材料沿拉伸方向的應(yīng)變；σ為材料沿拉伸方向的應(yīng)力；e、e1、e2為材料的彈性常數(shù)；η、η1、η2為材料的黏性系數(shù)。

發(fā)明人結(jié)合幾種常用的黏彈性本構(gòu)關(guān)系模型與第一循環(huán)拉伸試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得到的分析結(jié)果如圖2所示。其中，圖中方形符號曲線為采用maxwell模型對膜材在第一循環(huán)拉伸下本構(gòu)行為的預(yù)測結(jié)果，圓形符號曲線為采用kelvin模型的預(yù)測結(jié)果，三角形符號曲線為采用burgers模型的預(yù)測結(jié)果。結(jié)果表明：由于涂層織物類膜材復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有明顯的非線性、非彈性、各向異性以及黏彈性等特性，現(xiàn)有模型不能對涂層織物類膜材的黏彈性行為做出良好的預(yù)測，預(yù)測結(jié)果和試驗結(jié)果相差比較大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述背景技術(shù)的不足，提供一種簡單、準(zhǔn)確的用于涂層織物類膜材黏彈性本構(gòu)行為的預(yù)測方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種用于涂層織物膜材黏彈性本構(gòu)行為的預(yù)測方法，包括如下步驟：

(1)針對涂層織物類膜材，將涂層織物類膜材裁成長條形試件；

(2)采用單軸拉伸的試驗方法對長條形試件進(jìn)行拉伸試驗，試驗時，沿著長條形試件的裁剪方向施加拉力，將長條形試件以恒定速率拉伸至最大應(yīng)力，拉伸至最大應(yīng)力后再以相同的速率將長條形試件的應(yīng)力卸載至0；

(3)循環(huán)進(jìn)行多組步驟(2)中的試驗，直到滯回環(huán)面積穩(wěn)定時停止循環(huán)試驗，并根據(jù)試驗得出涂層織物類膜材在循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，此時涂層織物類膜材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足下式：

加載：

卸載：

式中，ε為膜材料拉伸方向的應(yīng)變；σ為膜材料拉伸方向的應(yīng)力；ε0為膜材料的初始應(yīng)變；σ0為膜材料的初始應(yīng)力；e1和e2為材料的彈性常數(shù)；η1和η2為材料黏性系數(shù)；k為加載速率；α、β、λ為反映涂層織物膜材黏彈性特性的修正系數(shù)；

(4)通過步驟(3)中的式(a)和式(b)對涂層織物類膜材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行預(yù)測。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明適用于涂層織物類膜材在復(fù)雜受力狀態(tài)下黏彈性本構(gòu)行為分析，采用單軸循環(huán)拉伸試驗方法進(jìn)行拉伸試驗，將膜材按某一速率拉伸至最大應(yīng)力，再以相同的速率卸載至0，如此循環(huán)直至達(dá)到穩(wěn)定。膜材具有明顯的非線性和黏彈性，加載、卸載曲線形成滯回環(huán)，膜材殘余應(yīng)變比較大。與現(xiàn)有常用黏彈性本構(gòu)關(guān)系模型相比，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確預(yù)測涂層織物類膜材在循環(huán)荷載拉伸下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，合理選取參數(shù)對涂層織物類膜材的彈性、黏性相互關(guān)系進(jìn)行修正調(diào)整，真實(shí)反映膜材的瞬時彈性變形，可恢復(fù)黏性變形和不可恢復(fù)的黏性變形，有效解決了現(xiàn)有模型在描述涂層織物膜材在復(fù)雜受力狀態(tài)下黏彈性本構(gòu)關(guān)系時出現(xiàn)的較大誤差。其方法簡單、操作方便，預(yù)測結(jié)果準(zhǔn)確，有效彌補(bǔ)了目前大部分涂層織物類膜材黏彈性本構(gòu)關(guān)系模型存在的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明拉伸試樣的示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)對第一循環(huán)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的預(yù)測結(jié)果對比曲線圖；

圖3是本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對第一循環(huán)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的預(yù)測結(jié)果對比曲線圖；

圖4是本發(fā)明對前三個循環(huán)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的預(yù)測結(jié)果對比曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述，以下實(shí)施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

一種用于涂層織物膜材黏彈性本構(gòu)行為的預(yù)測方法，包括如下步驟：

(1)針對涂層織物類膜材，涂層織物類膜材指的是由聚酯纖維或玻璃纖維等編織而成，并在表面覆以高分子涂層形成的材料，將涂層織物類膜材裁成長條形試件。

(2)采用單軸拉伸的試驗方法對長條形試件進(jìn)行拉伸試驗，試驗時，沿著長條形試件的裁剪方向施加拉力，將長條形試件以恒定速率拉伸至最大應(yīng)力，拉伸至最大應(yīng)力后再以相同的速率將長條形試件的應(yīng)力卸載至0；

(3)循環(huán)進(jìn)行多組步驟(2)中的試驗，直到滯回環(huán)面積穩(wěn)定時停止循環(huán)試驗，并根據(jù)試驗得出涂層織物類膜材在循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，此時涂層織物類膜材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足下式：

加載：

卸載：

式中，ε為膜材料拉伸方向的應(yīng)變；σ為膜材料拉伸方向的應(yīng)力；ε0為膜材料的初始應(yīng)變；σ0為膜材料的初始應(yīng)力；e1和e2為材料的彈性常數(shù)；η1和η2為材料黏性系數(shù)；k為加載速率；α、β、λ為反映涂層織物膜材黏彈性特性的修正系數(shù)；

(4)通過步驟(3)中的式(a)和式(b)對涂層織物類膜材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行預(yù)測，即可真實(shí)準(zhǔn)確反映涂層織物膜材黏彈性本構(gòu)行為。

實(shí)施例1、

(1)采用涂層織物類膜材，將涂層織物類膜材裁成長條形試件，長條形試件長度為300mm，寬度為50mm。長條形試件沿長度方向的兩個端口均設(shè)有夾持線，夾持線距離端口50mm。

(2)用夾具以夾持線為基準(zhǔn)將長條形試件固定在試驗機(jī)上，運(yùn)用試驗機(jī)對長條形試件進(jìn)行單軸循環(huán)拉伸，將長條形試件按5n/s的速率拉伸至最大應(yīng)力，拉伸至最大應(yīng)力后再以5n/s的速率將長條形試件的應(yīng)力卸載至0。

(3)循環(huán)進(jìn)行15次步驟(2)中的試驗，直到滯回環(huán)面積穩(wěn)定時停止循環(huán)試驗，并根據(jù)試驗得出涂層織物類膜材在循環(huán)載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變曲線，此時涂層織物類膜材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足下式：

加載：

卸載：

式中，ε為膜材料拉伸方向的應(yīng)變；σ為膜材料拉伸方向的應(yīng)力；ε0為膜材料的初始應(yīng)變；σ0為膜材料的初始應(yīng)力；e1和e2為材料的彈性常數(shù)；η1和η2為材料黏性系數(shù)；k為加載速率；α、β、λ為反映涂層織物膜材黏彈性特性的修正系數(shù)。

(4)通過步驟(3)中的式(a)和式(b)對涂層織物類膜材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行預(yù)測，即可準(zhǔn)確描述涂層織物類膜材的黏彈性特性，真實(shí)反映涂層織物膜材的力學(xué)性能，為建筑膜結(jié)構(gòu)的分析和計算提供參考。

如圖3所示，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對涂層織物類膜材第一循環(huán)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的預(yù)測結(jié)果對比曲線圖。從圖中可以看出，maxwell模型對加載前期預(yù)測結(jié)果較好，比較接近試驗曲線，到了加載后期，預(yù)測結(jié)果與試驗曲線相差越來越大。maxwell模型對卸載階段的預(yù)測不是很理想，預(yù)測卸載曲線已經(jīng)完全偏離試驗曲線，誤差很大。在試驗加載初期，涂層織物類膜材還處于彈性階段，對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)該為線性，而kelvin模型在加載初期的預(yù)測結(jié)果表現(xiàn)出非線性，這與實(shí)際情況不符，并且在卸載初期和末期誤差也都比較大。burgers模型是由maxwell模型和kelvin模型串聯(lián)而成的，其兼取了maxwell模型和kelvin模型各自的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)測結(jié)果比前兩個模型都要好一些，但是burgers模型在加載、卸載后期的預(yù)測結(jié)果誤差還是比較大。本發(fā)明合理選取了影響涂層織物膜材料黏彈性特性的重要參數(shù)，在整個加載、卸載階段的預(yù)測結(jié)果非常好，預(yù)測曲線基本與試驗曲線吻合度相當(dāng)高，真實(shí)反映了涂層織物類膜材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的黏彈性本構(gòu)行為。

為了更加有力地說明本發(fā)明的準(zhǔn)確度，在加載段、卸載段各選取3個點(diǎn)，利用相對誤差公式對本發(fā)明和常用三種黏彈性本構(gòu)關(guān)系模型的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行誤差分析，結(jié)果如下表所示：

式中：σexp為試驗值；σpre為預(yù)測值。

表1四種不同預(yù)測方法的相對誤差

從表1可以看出maxwell模型的最大誤差超過了50％，在加載和卸載末期的誤差較大；kelvin模型的在加載初期的預(yù)測誤差接近50％，在加載和卸載中期的誤差較??；burgers模型的預(yù)測誤差要比maxwell模型和kelvin模型的要小，平均誤差為10％左右；本發(fā)明的最大預(yù)測誤差僅為1.64％，最小誤差只有0.10％。顯然本發(fā)明的預(yù)測誤差要比常用的黏彈性本構(gòu)關(guān)系模型的預(yù)測誤差要小的多，這充分說明本發(fā)明可以準(zhǔn)確地預(yù)測膜材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下黏彈性本構(gòu)行為。

如圖4所示為本發(fā)明對膜材前三個循環(huán)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的預(yù)測結(jié)果對比曲線。由于涂層織物類膜材復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有明顯的非線性和黏彈性，第一次循環(huán)拉伸后，加載、卸載曲線形成滯回環(huán)，涂層織物類膜材殘余應(yīng)變比較大。經(jīng)過多次循環(huán)拉伸后，涂層織物類膜材線性化程度明顯，滯回環(huán)面積趨于穩(wěn)定，總殘余應(yīng)變趨近于常數(shù)。故本發(fā)明選取涂層織物類膜材前三個循環(huán)拉伸應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行預(yù)測，從圖4中可以看到，本發(fā)明不僅對第一循環(huán)的預(yù)測結(jié)果非常好，而且對后兩個循環(huán)拉伸行為的預(yù)測結(jié)果也十分準(zhǔn)確，吻合度很高，真實(shí)地反映出涂層織物類膜材在整個循環(huán)拉伸過程中的瞬時彈性變形，可恢復(fù)黏性變形和不可恢復(fù)的黏性變形，為薄膜結(jié)構(gòu)的分析和計算提供重要參考。這充分地驗證了本發(fā)明的正確性和準(zhǔn)確性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。