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关于材料的非线性与各向异性

日期:2013-09-12 10:20:10 / 人气:8

 

膜结构的分析设计中,是否要考虑材料的非线性及各向异性性能? 

首先膜材是非线性复合材料。原因有:纤维(纱线)间的约束随经纬向应力比不同而变化;纤维本身在荷载下的性能就是非线性的;涂层的性能是非线性的,并受时间的影响;由于编织,经纬向纤维在初始状态是松弛的,而涂层对纤维受拉变直又有约束作用。 

由于所采用的张拉预应力及设计工作应力远小于膜材的抗拉强度(通常预应力不超过5%的抗拉强度,工作应力不超过20%的抗拉强度),在设计应力范围内,认为膜材是处于弹性阶段,亦即不考虑材料的非线性。 

   膜材是由基材加表面涂层复合而成,而基材是由经﹑纬向纱线编织而成,因而呈现很强的正交异性性能,经纬向变形能力相差达5倍左右(法拉利预应力膜材已有改进)。而正交异性材料在承受非弹性主轴方向的应力时,呈现各向异性材料的性能,即拉应力除产生受拉方向及与受拉方向垂直的另一方向的变形外,还产生剪切变形。同时,剪应力除产生剪切变形外,也会导致拉伸变形。因此,材料的各向异性问题,或者说膜材的经纬方向与主应力方向的夹角是精确分析膜结构的形状和受荷分析时必须考虑的。同样,在决定裁剪应变补偿率时,也需计及这一因素。遗憾的是,目前大多数软件并不具备这一功能。 

   膜结构的找形﹑分析﹑裁剪是一个整体过程,基于全过程一体化设计思路的设计软件,在找形时即已考虑裁剪线的布置及膜材的经纬方向,并在计算模型中考虑了材料的经﹑纬方向(弹性主轴)与单元主应力之间的夹角,从而计及材料的各向异性。有关这一模型的详细内容,可参阅东南大学学报(1999年)的相关文章。 

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