涂层织物类膜材的抗顶破性能研究.doc

涂层织物类膜材的抗顶破性能研究膜材料作为膜结构的主要组成部分,在日常的使用中,容易受到外界杂物如风致残片等的顶破作用产生细小裂缝以及初始缺陷,从而导致膜结构承载能力降低甚至失稳。膜材的力学性能目前研究较多的主要为拉伸、撕裂、剪切等面内试验,而针对膜材这种复合材料的面外顶破性能研究较少;且涂层织物类膜材作为柔性复合材料,由于其编织工艺及组成材料的相互影响,使得膜材呈现出明显的非线性、各向异性等特点,而这对于材料顶破性能的影响不可忽略。本文采用试验、数值分析和理论推导相结合的方法,对涂层织物类膜材的抗顶破性能进行了一系列的研究,探讨了相应的强度准则。主要研究内容和结论如下:(1)涂层织物类膜材的面外顶破力学性能研究。针对膜材特点设计了两种形状的夹具,分别对几种涂层织物膜材进行了顶破性能试验,并与DIC(数字图像相关)技术结合,得到了膜材在顶破过程中的力-位移曲线和膜面的应变分布,分析了顶破速率、冲头形状、裁剪角度和膜材种类对材料抗顶破性能的影响,重点研究了不同冲头形状下膜材的破坏机理;(2)涂层织物类膜材顶破过程的数值模拟。采用ABAQUS软件对膜材的顶破进行了有限元分析,分别考虑了基于线弹性各向异性本构关系和*Fabric关键字两种方法分析,得到了力-位移曲线和应变分布规律,研究发现基于*Fabric关键字方法得到的曲线与试验曲线相对一致,能反映出膜材非线性的特点,且应变分布也比较吻合。(3)涂层织物类膜材料的强度准则研究,分别采用应变和应力的形式,讨论了几种常见的各向异性的强度准则,在Tsai-Wu准则的基础上提出了修正强度准则,研究发现新修正准则能较好地预测平形和圆形冲头作用下涂层织物类膜材的顶破破坏过程;通过VUSDFLD子程序进行对比验证,得到了顶破作用下破坏准则的应力形式。