涂层织物类建筑膜材料的动力本构关系及损伤破坏机理研究

As a typically nonlinear, inelastic and viscoelastic material, building coated fabric is a flexible composite, of which the mechanical properties are affected by loading history significantly. The mechanical properties of membrane materials are the important basis of studying the complex nonlinear behaviors of membrane structures. However, the practice has proven that the existing constitutive relations and the strength criteria are inaccurate, which may lead to the insecurity of actual engineering. Based on the method of experiment and theoretical analysis, from the macroscopic and microcosmic view, this research first analyzes the key factors that affects the principle of damage development, illustrates the dynamic damage mechanism and macroscopic mechanical behaviors, and explicits the dynamic failure modes and the failure criteria of building coated fabrics. Then, this research studies the nonlinear behaviors under complex loading conditions, explores the aging mechanism of membrane materials under the stress-environment interaction, and discloses the relationship between nonlinearity, randomness and rate-dependence. Finally, the time-dependent constitutive relation that can reflect the acutal state is built. The research results can provide a scientific base to grasp the dynamic nonlinear behaviors under strong wind and snow loads, which can be references for the reliability analysis and life prediction of membrane structures.

涂层织物类建筑膜材料是一种柔性的复合材料，具有明显的非线性、非弹性和粘弹性,其力学性能受加载历史影响明显。膜材料力学性能是研究膜结构复杂非线性行为的重要基础，而实践证明现有的膜材料本构关系模型和强度准则模型是十分粗陋的，应用于实际工程时会造成较大的安全隐患。为此，本项目拟采用试验和理论分析相结合的方法，从宏观和微观角度认识与分析实际工程中影响膜材料损伤破坏的主要因素及其发展规律，阐明膜材料的动力损伤机制及其宏观力学行为，明确膜材料的动力破坏模式及其强度准则，研究复杂受力条件下的膜材料非线性行为及其理论描述，探索膜材料在应力与环境耦合作用下的老化机理，科学揭示非线性、随机性、率相关特征之间的内在规律，建立能反映工程实际情况的膜材料时变本构关系模型。项目的研究成果可以为准确把握膜结构在强风、雪等灾害作用下的动力非线性行为提供理论参考，而且对于进行膜结构的可靠度分析和寿命预测具有一定指导意义。

涂层织物类建筑膜材料具有明显的非线性、非弹性和粘弹性，其力学性能受加载历史影响明显。本项目采用试验和理论分析相结合的方法，从宏观和微观角度认识与分析实际工程中影响膜材料损伤破坏的主要因素及其发展规律，阐明膜材料的动力损伤机制及其宏观力学行为，明确膜材料的动力破坏模式及其强度准则，研究复杂受力条件下的膜材料非线性行为及其理论描述，探索膜材料在应力与环境耦合作用下的老化机理。研究发现：（1）涂层织物类膜材料的破坏强度与材料的偏轴角度和破坏模式密切相关；膜材破坏总是沿平行或垂直于材料的主轴方向，且发生于强度较低的纤维或发生于其与涂层材料的界面上；材料破坏强度和断裂延伸率受拉伸速率的影响较大，并且与拉伸速率的对数成近似线性关系，对于材料的破坏模式略有影响；将偏轴角度和拉伸速率引入了偏轴强度预测公式，得到了不同速度下的膜材料破坏强度预测公式；（2）研究了加载制度对膜材料本构关系的影响规律，针对不同受力情况下的膜材料提出了适用的本构关系模型；研究分析了单元类型、网格密度、材料本构关系、膜面曲率等对膜结构静、动力性能分析的影响；进行了不同条件下（初始应力和温度等）的涂层织物类膜材料的粘弹性试验，提出了适用的粘弹性本构关系模型，推导了徐变和应力松弛的转化关系；（3）在人工加速老化下，膜材料的材料性能开始阶段略有上升，然后逐渐下降，这主要材料的基布、涂层结构有关；老化后的膜材表面颜色变黄，色泽变暗，出现污渍和斑点，经过较长时间老化后，膜材的拉伸曲线出现了锯齿状波动，膜材的涂层老化严重；应力状态和环境因素对涂层织物膜材的力学性能具有显著影响，在工程设计和建造中不可忽略；对青岛体育中心体育场拆卸下来的膜材进行了系统力学性能试验，把握了其力学性能的变化规律。项目的研究成果为准确把握膜结构在强风、雪等灾害作用下的动力非线性行为提供理论参考，对进行膜结构的可靠度分析和寿命预测具有指导意义。