本發(fā)明涉及一種涂層織物類膜材各向異性蠕變行為的描述方法，具體涉及一種適用于單向拉伸狀態(tài)下用于描述涂層織物類膜材各向異性蠕變行為的方法。

背景技術：

張拉膜結構作為一種新型空間結構形式，由于良好的力學性能及其極具表現(xiàn)力的建筑形態(tài)而備受人們關注和應用。涂層織物膜材屬于典型的高分子復合材料，其力學性能受加載歷史、環(huán)境等因素影響明顯，在拉伸狀態(tài)下，膜材料具有明顯的粘性，同時也會產生不可恢復的塑性變形，織物類膜材的編織方式和涂層處理也對材料性能產生一定的影響。

粘彈性是膜材力學性能之一，蠕變和應力松弛是粘彈性的典型表現(xiàn)形式，蠕變是指在恒定應力的作用下，材料變形隨時間的推移而發(fā)展的現(xiàn)象，該特征描述了材料力學行為的時效性。工程經驗表明，膜材蠕變行為會造成膜面位移增大，從而產生膜面褶皺，會造成膜面積灰及形態(tài)變化，從而引起膜面預應力損失，嚴重者會造成結構破壞。建筑膜材料長期處于張力狀態(tài)下，以及受到風雪等載荷的作用，故需要長期在外力的作用下保持較小的蠕變和較大的張力，因此對其蠕變性能的研究顯得非常有必要。

建筑膜材料在不太高的溫度下也有明顯的粘彈性，隨著時間的推移，會產生蠕變，這種粘彈性性能主要表現(xiàn)為各向異性。纖維蠕變與基體蠕變機制不同，界面的存在增加了力學性能的復雜性。而由于纖維的存在，引起建筑膜材的蠕變因素增多了，基體蠕變是主要來源，蠕變過程中主要由其承擔載荷；纖維由不直到逐漸拉直，紗線屈曲在外力的作用下也隨基體蠕變而逐漸伸直；纖維在高溫及高應力下顯示一定程度的蠕變，纖維在強度較弱或應力較大處發(fā)生斷裂，使膜材料的蠕變明顯增加。

目前國內外學者對于各種建筑膜材均展開了全面的研究，研究膜材料的蠕變性能大致上從通過理論研究來建立理論模型、蠕變試驗研究和進行計算機有限元模擬三個方面進行。文獻索膜結構的蠕變性能研究[j].科學技術與工程，2006,6(15)：2301-2305通過進行考慮材料蠕變對鞍形和脊谷式膜結構力學性能的影響，提出蠕變會導致索膜結構整體的承載力下降，同時是影響膜結構變形的主要因素之一，明確了對結構進行蠕變研究是索膜結構設計不可缺少的一部分，為考慮材料蠕變的膜結構受力性能研究提供了一定的方法基礎，但存在以下幾個問題：數(shù)值模擬采用的相關參數(shù)取自工程經驗數(shù)據(jù)，不具有材料針對性；數(shù)值模擬中采用的算法在計算結果的準確性上存在一定的爭議；通過蠕變應變作為結果的衡量指標，不具工程實際性；算例計算中僅以單個算例給出特定結構的蠕變影響情況，不具廣泛實用性。

由于膜材組成形式的復雜性，不同類型材料之間的差異很大，只有通過大量的試驗才能夠獲取建筑膜材的蠕變特性，從而建立統(tǒng)一的公式或蠕變模型；有的學者主要集中在對于膜材蠕變過程有限元研究的問題上，試圖通過理論研究得到膜材統(tǒng)一的蠕變模型，但該方法必須得到一定的試驗支持，另一方面，盡管對于膜材蠕變的研究很多，但是通過對材料的研究延伸于結構的相關研究極少，因而缺乏相關的準確試驗公式，對膜材蠕變進行準確的描述。

kyoungjukim等人的研究中對于蠕變應變的擬合采用一個簡單有效蠕變應變率的冪率形式，如下式：

其中，a，m，n為常數(shù)，通過試驗曲線的擬合來確定，ε^c為材料的蠕變應變，σ為恒定應力，為蠕變應變率，t為時間，用90°方向的試驗得到的蠕變應變來擬合蠕變方程，進行擬合之后，發(fā)現(xiàn)冪率形式的蠕變方程并不適于描述涂層織物膜材的蠕變行為。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述背景技術的不足，提供一種較為準確、可靠性強的用于描述涂層織物膜材各向異性蠕變的方法。

本發(fā)明解決其技術問題是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種用于描述涂層織物膜材各向異性蠕變行為的方法，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行拉伸試驗，試驗時，沿著長條形試件的裁剪方向施加拉力，且拉伸方向與長條形試件上的纖維方向呈夾角θ；將長條形試件以恒定速率拉伸至恒定應力，保持恒定應力一段時間，記錄位移隨時間的變化情況；

(3)變換步驟(2)中單軸拉伸試驗中的偏軸角度θ，對長條形試件采用相同于步驟(2)的試驗方法進行試驗，得到涂層織物類膜材蠕變過程中的位移時間曲線，此時，涂層織物類膜材的位移時間曲線滿足下式：

式中，ε^c為涂層織物類膜材試樣的蠕變應變，σ為涂層織物類膜材拉伸方向的恒定應力，t為時間，θ為涂層織物類膜材拉伸方向與纖維方向的夾角；

(4)通過步驟(3)中的式(1)對涂層織物類膜材各向異性的蠕變行為進行預測。

本發(fā)明的有益效果為：

由于采用了上述推導方案，本發(fā)明適用于描述涂層織物類膜材各向異性的蠕變行為，采用單軸拉伸的試驗方法對涂層織物類膜材進行恒定速率拉伸，拉伸至一定應力之后保持應力不變，改變偏軸角度進行用相同方法進行試驗。涂層織物類膜材具有粘彈性，蠕變是粘彈性的主要表現(xiàn)形式之一，在恒定應力下，隨著時間的推移，膜材將會發(fā)生蠕變。與現(xiàn)有描述涂層織物類膜材各向異性蠕變行為的方法相比，本發(fā)明能準確反映涂層織物類膜材在恒定應力下蠕變過程中位移與時間的關系，合理選取對涂層織物類膜材蠕變的影響參數(shù)并進行修正調整，準確地反映涂層織物類膜材的真實蠕變情況，有效解決了現(xiàn)有方法在描述涂層織物類膜材各向異性蠕變行為時的較大誤差。本發(fā)明采用的試件尺寸適中，易于裁剪，試驗過程簡單，可操作性強，預測結果與試驗數(shù)據(jù)相近，有效彌補了對現(xiàn)行涂層織物膜材蠕變變化規(guī)律探究不足的問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明拉伸試樣的示意圖；

圖2是等效蠕變應變擬合曲線示意圖；

圖3是參數(shù)與偏軸角度θ的關系示意圖；

圖4是理論蠕變曲線與試驗曲線的對比示意圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發(fā)明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。

本領域的技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術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。

一種用于描述涂層織物膜材各向異性蠕變行為的方法，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行拉伸試驗，試驗時，沿著長條形試件的裁剪方向施加拉力，且拉伸方向與長條形試件上的纖維方向呈夾角θ；將長條形試件以恒定速率拉伸至恒定應力，保持恒定應力一段時間，記錄位移隨時間的變化情況。

(3)變換步驟(2)中單軸拉伸試驗中的偏軸角度θ，對長條形試件采用相同于步驟(2)的試驗方法進行試驗，得到涂層織物類膜材蠕變過程中的位移時間曲線，此時，涂層織物類膜材的位移時間曲線滿足下式：

式中，ε^c為涂層織物類膜材試樣的蠕變應變，σ為涂層織物類膜材拉伸方向的恒定應力，t為時間，θ為涂層織物類膜材拉伸方向與纖維方向的夾角。

(4)通過步驟(3)中的式(1)對涂層織物類膜材各向異性的蠕變行為進行預測。

實施例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有夾持線，夾持線距離端口50mm。

(2)用夾具以夾持線為基準將長條形試件固定在常規(guī)的材料拉伸試驗機上，運用試驗機對長條形試件進行單軸循環(huán)拉伸。試驗時，沿著長條形試件的裁剪方向施加拉力，且拉伸方向與長條形試件上的纖維方向呈夾角θ。將0°試樣以2n/s的拉伸速率拉伸至恒定應力4kn/m，保持恒定應力24h，記錄位移隨時間的變化情況。

(3)變換步驟(2)中單軸拉伸試驗中的偏軸角度θ，選取偏軸角度：15°，30°，45°，60°，75°，90°。對長條形試件采用相同于步驟(2)的試驗方法進行試驗，得到涂層織物類膜材蠕變過程中的位移時間曲線。

(4)采用等效應變的方法對0°和90°的試驗數(shù)據(jù)進行處理：

其中,ε^c為涂層織物類膜材試樣的蠕變應變，σ為恒定應力，系數(shù)a11、a66、a12，a，m，n，b為常數(shù),t為時間。

用等效應變表示則是

其中，為相應參數(shù)的等效值，h(θ)表示的是等效值和實際值的比例關系，可以用a11、a66、a12表示出來，且a11經過數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)是恒定值。

h(θ)只與a12+a66的和有關，令與偏軸角度θ的關系式為：

綜上，得到各向異性蠕變本構方程為：

將上面本構方程代入偏軸角度(15°，30°，60°，75°)，可以得到四種工況下的理論蠕變曲線，并與試驗曲線進行對比，如圖4所示。

對比理論蠕變曲線和試驗曲線，發(fā)現(xiàn)采用上述本構方程預測得到的結果與試驗得到的結果較為一致，因此本發(fā)明方法描述涂層織物膜材各向異性蠕變行為的效果比較好。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。