[发明专利]一种用于涂层织物膜材黏弹性本构行为的预测方法

说明书

本发明公开了一种用于涂层织物膜材黏弹性本构行为的预测方法，适用于建筑膜结构中的用于涂层织物膜材黏弹性本构行为的预测。针对涂层织物类膜材，采用单轴循环拉伸试验方法进行拉伸试验，将膜材按某一恒定速率拉伸至最大应力，再以相同的速率卸载至0，如此循环直至达到稳定，得到膜材在单轴循环拉伸作用下的应力应变曲线，此时涂层织物类膜材沿拉伸方向的应力、应变满足表达式，通过表达式进行应力应变关系预测，即可准确反映涂层织物膜材黏弹性本构行为。本发明合理选取了影响涂层织物膜材料黏弹性特性的重要参数，准确地反映膜材料的真实力学性能，有效弥补了目前大部分黏弹性本构关系模型存在的问题，为建筑膜结构的分析和计算提供参考。

技术领域

本发明涉及一种预测方法，具体涉及一种用于涂层织物膜材黏弹性本构行为的预测方法。

背景技术

膜结构在我国的应用已有十余年的历史，在这期间，我国在膜结构的计算与设计理论、制作与工程实践方面取得了长足的进步，并编制出版了设计与检测技术规程。目前，国内已经具备了针对大型工程自行进行计算、设计、制作、安装、检测与监测等各项工作的能力。但是，相对而言，针对膜结构材料本构关系及基本材料性能等基础研究方面的工作十分薄弱。膜面作为结构的一部分，大都暴露在空气中，其不可避免地要受到风荷载的作用，风荷载对膜结构的作用主要表现为循环荷载作用。这必然会使膜材产生残余变形，减小膜材原有的预张力，影响到膜材的使用。尤其对于张拉膜结构体系，预张力是膜面成形并具备整体刚度的必要条件，预张力的损失亦会给结构安全性造成影响，轻者局部膜面出现褶皱，重者使结构丧失整体刚度而破坏。因此研究建筑膜材料在循环应力下的应力应变变化规律等，是确定膜材强度设计值、膜结构裁剪缩小率、张力调节装置等的重要前提。

张拉膜结构中主要应用的是涂层织物类膜材。涂层织物类膜材由基层、涂层和面层三部分组成。其中基层由各种织物纤维编织而成，决定膜材的结构力学特性。涂层和面层保护基层，且具有自洁、抗污染、耐久性等作用。基层的编织纤维相互垂直，分别为经向纤维和纬向纤维，两个方向的力学性能差异较大。因此涂层织物类膜材具有明显的非线性、非弹性、各向异性以及黏弹性等特性。相比传统材料来讲，膜材料本构关系的确定是材料力学性能研究的重中之重。

目前，关于膜材料黏弹性性能的研究，主要集中在初始应力、温度等参数对材料黏弹性性能的影响。如:Zhang等对不同温度及初始应力下的PVC膜材应力松弛性能进行了研究，发现随着温度和初始应力的增加，膜材料的黏弹性行为更加明显。张伍连等对PVC膜材进行了不同应力下的蠕变试验，并采用Kelvin-Voigt模型对试验数据进行了拟合分析，发现随着模型参数的增加，预测效果越好。孟雷等进行了不同初始应力下涂层织物类膜材的蠕变及其应力松弛性能，并且将其引入自编程序的数值分析中，对张拉成形曲面的应力松弛性能进行了研究，得到了较好的预测效果，同时也指出，应考虑张拉过程中的黏弹性。

对于黏弹性材料，常用黏弹性本构关系模型主要有：Maxwell模型、Kelvin模型以及Burgers模型等。其中Maxwell模型是采用弹簧元件和粘性元件(阻尼件)的串联体反映材料的黏弹性特征。Kelvin模型也称Voigt模型，它采用弹簧元件和粘性元件的并联体反映材料的黏弹性性能。Burgers模型是由一个Maxwell模型和一个Kelvin模型串联而成的组合模型，因其含有四个元件，故也被称作四元件模型。其特点就是兼取Maxwell模型和Kelvin模型各自的长处并抑制各自的短处，以求建立一个更能反映材料黏弹性行为的新模型。

以下是三种常用黏弹性模型的加载、卸载本构方程：

加载：

Maxwell模型

卸载：

加载：

Kelvin模型

卸载：

加载：

Burgers模型

卸载：