机织建筑膜材料拉伸力学性能的有限元模拟与分析

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随着膜结构建筑的广泛应用,机织建筑膜材料的力学性能研究愈来愈受到关注。机织建筑膜材料不同于一般的建筑材料,它是一种柔性的机织物涂层复合材料,需要依赖膜的特定张拉形状才能承受载荷。机织建筑膜材料在各种拉伸载荷作用下的拉伸力学性能对于指导膜结构的设计和构建非常必要,因此课题目的是使用ABAQUS有限元软件模拟与分析机织建筑膜材料单轴向和双轴向拉伸力学性能。通过应用ABAQUS有限元软件在机织建筑膜材料拉伸试样、机织物拉伸和机织建筑膜材料拉伸试验的模拟,以期实现:(1)利用ABAQUS有限元软件快速比较不同形状、尺寸试样在拉伸试验中的应力分布情况,从而选择合适的试样;(2)建立机织物模型,进行机织物拉伸试验模拟,分析纱线间相互作用、纱线性能变化对机织物拉伸性能的影响;(3)建立机织建筑膜材料模型,开展膜材料单轴向、双轴向拉伸试验模拟,获得膜材料拉伸试验弹性模量。对机织建筑膜材料单轴向、双轴向拉伸试验的试样形状和尺寸进行了模拟分析,结果表明,单轴向拉伸试样应选择合适的长宽比,对比不同倒角半径的应力云图,得到应力分布较合适的试样,降低试样在夹头处断裂的可能性;双轴向拉伸试样的尺寸为180×180mm时,试样倒角半径取5mm、拉伸轴宽度为60mm、裂缝长度约等于拉伸轴长度、裂缝条数为5时,有利于机织建筑膜材料均衡受力。机织建筑膜材料由机织物基布和涂覆的基体组成,因此先对机织物进行模拟分析以加强对模型应用和模拟技术的把握。论文建立了机织物模型,应用动态显式运算对机织物拉伸进行了模拟,考虑了Step值、经纬纱相互作用的罚因子大小对结果的影响,进行了纱线性能变化对模拟结果的敏感性分析,结果表明动态显式计算时Step值对运算结果和耗时都有显著影响、经纬纱间相互作用对结果影响不明显、纱线性能参数直接影响模拟结果。模拟了机织建筑膜材料的单轴向、双轴向拉伸试验,讨论了纱线相互作用类型、纱线截面形状、材料属性等因素对单轴向拉伸试验模拟结果的影响,在此基础上定义合适的相互作用和截面形状:探讨纱线和基体性能参数变化对机织建筑膜材料拉伸试验模拟结果的影响,发现膜材料弹性模量随着纱线性能变化10%大约变化10%,而基体性能参数变化50%膜材料拉伸弹性模量的模拟结果的变化幅度仅仅变化约5%;进行双轴向拉伸试验模拟,发现模拟结果与试验值有较大误差,误差原因是ABAQUS有限元软件不能模拟机织物的经纬交织结构产生的屈曲波高变化,提出一个办法使纱线在拉伸起始阶段不立刻完全表现出其性能,而是以一定比例缓慢提升,到某点时才完全释放其性能;结果证明利用这种方法可以获得满意的单轴向拉伸试验模拟结果,同时显著降低双轴向拉伸试验模拟结果的误差。
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