机织物增强轻型输送带静、动态加载下拉伸力学性能研究及数值模拟
与传统的刚性纺织复合材料相比，织物增强柔性复合材料具有大变形、高承载能力及良好的抗疲劳性能等优点。织物芯轻型输送带作为一种由织物为增强骨架材料，表面涂覆高分子材料制备而成的织物增强柔性复合材料，在使用过程中，不仪起到承载物料的作用，同时还起到传递动力和牵引力的作用。作为带式输送机的关键部件之一，织物芯轻型输送带需具有优良的力学性能，因而全面研究织物芯轻型输送带的力学性能，对带式输送机的设计和织物芯输送带的制备加工均具有非常重要的现实意义。
目前，对织物芯轻型输送带力学性能研究的方法基本上与建筑膜材料和帘线增强橡胶类柔性复合材料相似，但侧重点有所不同。基于此，本文以机织物增强轻型输送带为研究对象，针对织物芯轻型输送带的使用条件和对力学性能的要求，对其力学性能进行更加深入的研究，以期把握机织物增强轻型输送带拉伸力学性能的特点，为机织物增强轻型输送带的使用和加工提供参考和依据。同时，也寄希望对织物增强类柔性复合材料力学性能的研究做进一步的补充和完善，为更加全面把握织物增强柔性复合材料的力学性能添砖加瓦。
本文主要对机织物增强轻型输送带在单轴向-偏轴向加载条件下的力学性能(包括非线性、非弹性、加载各向异性、缺口敏感性、低周疲劳性能)进行了试验研究和理论分析，并基于织物几何模型对2.5D机织物增强轻型输送带的拉伸性能进行了数值模拟。本文主要研究内容可概况如下：
(1)拉伸行为特性及破坏机理
论文对机织物增强轻型输送带材料在单轴-偏轴向作用力下的拉伸性能进行了试验测试与理论分析，结果表明，机织物增强轻型输送带的拉伸力学性能具有明显的非线性，其拉伸曲线根据各区域的非线性程度可采用三段式模型来描述，低应力下的非线性特征可用双线性模型来表征。此外，基于多层织物增强柔性复合材料拉伸受力模型的变形机理和测试原理，对机织物增强轻型输送带在低应变下所产生的双线性原因进行了较为全面的分析。
基于反复加载/卸载曲线，对机织物增强轻型输送带在不同加载水平和加载/卸载次数下的非弹性和非线性进行了研究和分析。实验结果表明，机织物增强轻型输送带的非弹性程度与循环加载载荷水平和加载/卸载次数密切相关，即使在小加载载荷水平下(15％最大抗拉强力)，50次反复加载后，相对残余变形指数β达到18.05％，表现出明显的非弹性特征。各加载载荷水平下的最大变形量1max、残余变形量1min和相对残余变形指数β随加载/卸载次数N的变化关系可用幂函数来表示。从分析结果可以看出，为确保机织物增强轻型输送带运行平稳、使用可靠，需对使用过程中所产生非弹性的程度加以控制，在运行时间不变的前提下，非弹性变形程度可通过减少加载载荷水平来实现。对各加载曲线进行分析发现，机织物增强轻型输送带的弹性模量和屈服强度随着加载次数之间的变化关系可分别用幂函数和指数函数来表示。同时加载曲线的线性程度随着加载/卸载次数的增加而有所提高，且加载载荷水平越高时，线性化程度的提高表现得越明显。
对不同加载速度下的拉伸性能指标进行分析发现，机织物增强轻型输送带具有明显的加载速度依赖性，即应变率相关性。随着加载速度的增加，其抗拉强度、弹性模量、屈服强度随之增加，而断裂伸长率逐渐减少，失稳应变基本保持不变，能量吸收特性的变化较为复杂。
论文对7个偏轴向加载下的力学性能进行了研究，结果表明机织物增强轻型输送带可认为是一种平面正交各向异性材料。其破坏模式与机织建筑膜材料相似，可分为纯拉伸失效、纯剪切失效及拉-剪混合失效三种失效模式。Tsai-Hill强度失效准则可用于预测纯拉伸或纯剪切失效模式下的强度预测，但不适用于拉剪混合失效模式，并基于拉伸变形机理对不适用的原因进行了分析。余弦调和级数可较好地预测各种失效模式下的失效强度，且能反映出抗拉强度、弹性模量及失效伸长率之间的非同相性。
(2)缺口敏感性及断裂力学的应用
轻型输送带的表面损伤或内部缺陷在使用过程不断萌生、扩展，而最终导致其断裂破坏或失效，因而对预置损伤试样在外加载荷下的拉伸力学性能和破坏机理进行研究具有实际意义，对工程技术人员选择材料以及加工工艺提供可靠的依据，同时也是轻型输送带材料可靠性研究中的重要一环。
论文以机织平纹为增强骨架材料的轻型输送带为试验对象，对预置裂纹型切口(单边、双边及中心切口)和中心圆孔拉伸试样的拉伸力学性能进行了研究，结果表明机织物增强轻型输送带具有强烈的缺口敏感性，且缺口敏感性与切口类型和切口深度密切相关。在本论文的试验条件下，相对于中心圆孔切口，机织物增强轻型输送带对裂纹型切口最为敏感，其中对单边切口敏感性程度最高，而双边切口相对较低。对拉伸曲线和拉伸过程进行分析发现，切口试样的断裂模式具有一定的规律性，在低速外加载荷作用下，切口根部纱线逐根断裂，导致其拉伸曲线呈现明显的多峰特性，基于此，可认为拉伸曲线初始峰对应的强力为切口扩展临界强力。同时，采用断裂力学理论对切口试样的断裂韧性进行计算，计算结果也表明，机织物增强轻型输送带的断裂韧性与切口类型密切相关。此外，在对切口试样拉伸断裂过程进行分析的基础上，尝试解释了不同类型切口试样的切口敏感性程度存在差异性的原因。
对切口敏感性进行研究表明，在使用过程中，需对机织物增强轻型输送带的附加损伤形式和尺寸进行控制，以确保机织物增强轻型输送带在运行过程中具有较高的可靠性和安全性。
(3)低周疲劳性能及疲劳寿命分布
虽然在设计和使用时，通常选用较高的安全系数以确保轻型输送带具有较高的可靠性和安全性，但在启动阶段或过载情况下，轻型输送带的实际承载载荷远高于设计强力，这将明显地缩短输送带的使用寿命。基于此，论文对机织物增强轻型输送带在高加载载荷下的低周疲劳性能进行了研究，研究结果表明，机织物增强轻型输送带的低周疲劳寿命曲线可用S-N曲线来表示。以动态蠕变和动态残余变形为累积损伤变量时，其变化过程表明机织物增强轻型输送带材料的疲劳累积损伤具有明显的非线性，即表明损伤发展过程可用非线性累积损伤理论来描述，同时还发现机织物增强轻型输送带的疲劳累积损伤具有明显的阶段性。疲劳加载载荷水平和交变载荷比的增加不仅会缩短机织物增强轻型输送带的疲劳寿命，同时还会弱化疲劳累积损伤的阶段性，以及改变疲劳寿命分散性。在高疲劳水平下的残余抗拉强度、残余强度的劣化也直接或间接地反映了疲劳加载对机织物增强轻型输送带机械性能的劣化作用。
疲劳是一个随机现象，材料或结构的疲劳寿命一般取决于材料的性能、疲劳裂纹萌生部位的几何形状，应力-应变历史、测试环境以及其它随机因素，因此常规的分析方法无法客服疲劳过程的随机性，疲劳过程的随机性导致了疲劳寿命的高分散性，这给疲劳寿命的评价带来了极大的困难，因此需借助概率统计的方法。论文尝试采用三参数Weibull模型对机织物增强轻型输送带的疲劳寿命进行了统计分析，并采用一阶灰色建模法对统计模型的参数进行了估计，K-S检验法的结果验证了所选用模型的可行性和参数估值方法的科学性。
(4)拉伸力学性能的数值模拟
为更加深入地研究织物增强轻型输送带材料的在拉伸载荷作用下的变形机理，论文采用几何建模软件并结合点控制的建模思想建立了2.5D机织物增强轻型输送带材料的几何模型，并尝试基于孤立网格部件对其拉伸力学性能进行了数值模拟。
由于几何建模和数值模拟分析时的简化假设，导致了模拟结果在1.00％应变以上时，与实测结果之间存在差异性。数值模拟结果反映了2.5D机织物增强轻型输送带材料在初始阶段的变形主要源自经纱屈曲结构的改变，随着加载应变的增加，经纱伸长逐渐占据主导地位。同时数值模拟结果还表明，2.5D机织物增强轻型输送带中纬纱主要起到稳定结构和约束经纱屈曲结构改变的作用，对拉伸性能的作用并不明显。
此外，论文还对2.5D机织物增强轻型输送带材料在数值模拟中施加位移载荷时，加载面和集中载荷施加点的参考点之间耦合约束对加载面的变形进行的数值模拟。
机织物;轻型输送带;拉伸力学性能;几何建模;数值模拟
东华大学
博士
纺织工程
陈南梁
2011
中文
TS106.65;TS101.923
150
2013-06-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）