织物类复合膜材纱线移动与材料刺破机理研究

阅读量：

63

作者：

吴善祥

展开

摘要：

在实际使用过程中,织物中纱线滑移(构成织物的纱线相对滑动)是一种重要的变形或失效模式,可以显著改变织物的能量吸收能力和纱线密度,并且可能导致纱线从织物上松解,造成织物编织构型的改变,在织物复合材料的面内机械响应中起重要作用.此外,在实际工程应用中,刺入破坏(例如弹丸穿刺,膜建筑膜面尖锐物偶然刺破,风致碎片刺破等)及刺破后的撕裂扩展等是膜材常见的失效形式,而纱线移动是众多破坏形式中基本现象,掌握纱线移动机理及响应对于提高膜材抗刺破及抗撕裂性能具有重要指导意义,因此,对于纱线移动力学性能的研究非常重要.刺入破坏是膜结构工程中常见的一类失效形式,例如膜建筑膜面尖锐物偶然刺破,风致碎片刺破等,特殊使用环境中还涉及高速的穿刺破坏,例如弹体穿刺破坏等,掌握柔性膜材刺破力学性能及破坏机理对于膜材安全性损伤评估以及提高膜材抗刺破能力非常重要,进而达到降低织物材料刺破概率的目的.经编织物类复合膜材作为现代充气膜结构外膜的主流新型材料,逐渐受到科学界的关注.目前,对于其力学性能的研究较少且主要集中于面内力学性能的研究,平面外刺破机理方面的研究缺乏,掌握经编织物膜材刺破力学性能及破坏机理对于提高膜材抗刺破性能,减小偶然刺破的概率及大跨充气膜建筑安全性损伤评估非常重要.本文以膜材料力学性能为研究背景,以平纹编织织物及经编膜材为研究对象,采用有限元数值分析的方法,考察了平纹织物纱线移动机理与刺破响应机理,并且探究了经编织物膜材的刺破力学性能及刺破后撕裂破坏形态.主要内容包括平纹织物纱线移动力学性能研究,平纹织物刺破力学性能研究,经编织物膜材刺破力学性能研究.首先,本文采用ABAQUS有限元软件对平纹织物纱线移动过程进行数值仿真,系统分析摩擦系数,模型尺寸,预张力及纱线移动速率对于纱线移动响应的影响规律,并且深入研究被抽纱线断裂长度及抽出断裂强度与纱线间摩擦系数以及基布所受预张力之间的耦合关系,提出应力均匀化是纱线抽断长度增加的重要影响因素.其次,运用有限元软件模拟分析的方法,对于柔性编织材料的刺破过程进行仿真,探究了平纹织物在弹体的高速冲击下破坏特征,锥形刺具对于单,双向限制形式下平纹织物的刺破响应机理,以及低速尖锐物体和风裹碎片作用下的膜材刺入破坏响应,实现在细观层面对于刺入过程中机织物的应力应变分布,变形特征及刺破性能的探究.所得结论为防刺破织物的设计提供了一种有效的预测方法,同时也可将其扩展应用于其他结构材料的防刺破分析.最后,以典型经编织物膜材Seaman PVDF8028为研究对象,进行单轴拉伸试验及膜材电镜扫描试验,获得膜材主要力学性能参数及几何参数,然后,基于有限元方法进行双向限制下的经编织物膜材刺破仿真,系统考察入刺水平转角,刺具尺寸,刺入位置以及刺破角度对于膜材刺破性能的影响规律,在细观层面分析经编膜材刺破力学性能,并且基于片状刺具穿刺后的膜材破坏形态进行双向等应力比下的撕裂扩展研究,撕裂扩展主要以刺破断口为20mm及30mm膜材破坏形态为研究基础,进行3种入刺水平转角(0°,45°,90°)下的撕裂扩展仿真,探究经编织物膜材在刺破后的撕裂扩展形态.所得结论可为相关膜结构的设计与安全性分析提供有益参考.

展开