随机动力冲击荷载下涂层织物类膜材料的力学性能及损伤演化机理

The local damage of membrane structure under the stochastic dynamic impact always performs cascade evolutions, which will lead to the macroscopic structural failure. In order to achieve the impact resistance of membrane structure under frequently stochastic dynamic impacts, it is necessary to study the mechanical properties and stochastic damage evolutions of membrane structures under stochastic dynamic impacts. The research is based on the non-metal composite mechanics and stochastic damage theories, together with stochastic dynamic impact tests. The mechanical properties and damage evolution of coated fabrics is taken as the research object. First, this research aims to study the resistance failure modes and failure criteria of coated fabrics under dynamic loading, grasp the effect of stochastic dynamic loading on the material properties. Then, the effects of stochastic defects on material properties and structural energy dissipation are explored and the double energy dissipation of coated fabrics and membrane structures is described. Finally, the accumulative damage constitutive relations of coated fabrics are built, which can describe the damage evolution of coated fabrics under complex loading and supply the evidence of material residual properties after stochastic dynamic impacts. The results can be references for the deep development of wind-induced disaster research of membrane structures, which can supply the theoretical basis of improving the design theories of membrane structures.

膜结构在随机动力冲击荷载下的局部损伤易呈现出非线性串级发展，最终将诱发宏观失效。实现膜结构的抗频遇随机动力冲击荷载能力，需全面掌握膜结构的抗随机动力冲击力学性能及随动损伤演化规律。本项目基于非金属复合材料力学及随机损伤理论，辅以随机动力冲击试验，以随机动力冲击荷载下的涂层织物类膜材料力学性能和损伤演化机理为研究目标，明确膜材料的抗冲击破坏模式及其失效准则，把握随机动力冲击荷载作用膜材料的力学特性；在宏观和微观层面，探索随机缺陷对膜材料力学性能及结构耗能特性的影响规律，阐述膜材料与膜结构的双重抗冲击耗能机制；建立膜材料的累积损伤本构关系，描述膜材料在复杂受力条件下的损伤演化规律，解决随机动力冲击作用后的膜材料剩余性能判据的关键问题。项目的研究成果将促使膜结构的风致灾变研究向深度发展，为完善膜结构的设计理论提供基础理论保障。

膜结构在随机动力冲击荷载下的局部损伤易呈现出非线性串级发展，最终将诱发宏观失效。本项目研究将采用力学试验和理论分析相结合的研究手段，从宏观和细观出发，对涂层织物类建筑膜材料的抗冲击性能及损伤破坏机理做出科学的解释和合理的理论描述，科学阐述随机动力冲击荷载对于膜结构的冲击作用机理，探索膜材料在复杂荷载条件下的损伤演化规律和剩余性能研究。研究发现：（1）基于连续介质损伤力学，建立了膜材各向异性损伤本构模型及损伤演化方程，在宏观尺度上考虑了材料损伤对力学性能的影响。基于细观结构建立了膜材单胞损伤模型，引入Tsai-Wu失效准则和Mises强度失效准则分别作为纤维束和基体的失效判据，并通过刚度折减法来实现材料渐进损伤分析，在细观尺度揭示了荷载作用下膜材料内部的损伤演化规律。（2）初始缺陷的存在显著降低了膜材的极限承载力，且随着缺陷尺寸的增大逐渐降低，但对材料的拉伸刚度影响甚微。随着试件宽度的增加，同等缺陷试件撕裂强度线性增加，撕裂应力存在一定差别，而名义应力基本相等。故名义应力可以忽略试件尺寸效应，作为评判材料撕裂性能的重要指标之一。建立了含初始缺陷膜材撕裂模型，发现纤维束的极限应力、纤维束编织密度及初始缺陷尺寸等是影响膜材撕裂强度的主要因素。（3）不同冲头作用下膜材的破坏模式不同，平头作用的试件最终破坏形式为平头边缘的剪切破坏，圆头作用下试件为拉伸与剪切的耦合破坏，而尖头作用下由于应力集中先发生了破坏，随着冲头与膜材接触面积的增大，最终发生了拉伸破坏。平头试件的顶破力最大，圆头次之，尖头最小，这主要与冲头与材料的接触面积有关。（4）膜面预应力的增加使得冲击物冲击结构时膜面的变形减小，减少了膜结构的变形耗能，降低了膜结构对冲击物的耗能能力。冲击物的冲头形状越平整，冲击破坏的破坏面越大，膜结构的变形耗能越大。项目的研究成果将促使膜结构的风致灾变研究向深度发展，为完善膜结构的设计理论提供基础理论保障。