Моделирование технических тканей с покрытием для мягких оболочечных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Моделирование технических тканей с покрытием для мягких оболочечных конструкций

Ярославское шоссе, 26, Москва, Россия, 129337

В данной статье описаны лабораторные испытания, выполненные с целью исследования механических свойств технической ткани с покрытием. Эксперименты включали в себя одноосные испытания при растяжении материала в направлении нитей основы и утка. Для измерения перемещений и деформаций на поверхности образца использовался метод корреляции цифровых изображений. Была построена численная модель материала и выполнен расчет, имитирующий проведенные эксперименты. Показана хорошая сходимость между результатами лабораторных и численных испытаний.

Ключевые слова: техническая ткань с покрытием, лабораторные испытания, численное моделирование, корреляция цифровых изображений

MODELING OF TECHNICAL COATED FABRICS FOR TENSILE STRUCTURES

A.A. Kustov

Moscow State University of Civil Engineering (MGSU)

Jaroslavskoe shosse, 26, Moscow, Russia, 129337

In this article, the laboratory tests executed with a research objective of mechanical properties of technical coated fabric are described. Experiments included uniaxial tensile tests in the warp and weft directions. For measurement of displacements and deformations on a surface of a sample the method of digital images correlation has been used. The numerical simulation of material has been constructed and calculated to simulate the experiments. Good convergence between results of laboratory and numerical researches is shown

Key words: technical located fabrics, laboratory tests, numerical simulation, digital image correlation

В настоящее время вновь обретают популярность мягкие оболочечные конструкции (рис. 1). Уникальность свойств подобных сооружений заключается в их многофункциональности, достаточной простоте производства и относительно небольшой стоимости, а также в малой массе и низкой материалоемкости, быстроте монтажа и демонтажа, многократной оборачиваемости, возможности полной заводской готовности, высокой стойкости к динамическим и сейсмическим нагрузкам, малом объеме в транспортном состоянии и возможности их доставки любым видом транспорта на любые расстояния.

Многочисленные отечественные и зарубежные исследования и разработки, в которых рассматриваются мягкие оболочечные конструкции, вопросы численного моделирования технической ткани с покрытием, создания и улучшения свойств материала и т.п., а также увеличение строительства подобных сооружений по всему миру являются ярким тому свидетельством [1; 3; 5; 6].

Данный материал используется в самых разных сферах строительной деятельности (опалубка, боновые заграждения, тканевые плотины, резервуары, домкраты, спасательные средства и многое другое), а также и в текстильной архитектуре (воздухоопорные и тентовые конструкции).

Основные компоненты технической ткани с покрытием представлены текстильной основой, чаще всего состоящей из синтетических нитей (полиэфирных, полипропиленовых, полиамидных и др.), и защитным полимерным покрытием из поливинилхлорида (ПВХ), полиуретана (ПУ), политетрафторэтилена (ПТФЭ) и др.

Рис. 1. Мягкие оболочечные конструкции: а) воздухоопорное сооружение; б) тканевая плотина [Tensile structures: a) air dome; b) tissue dam]

Лабораторные испытания были проведены в Костромском государственном университете (КГУ). Экспериментальное оборудование (рис. 2) представляет собой разрывную машину, состоящую из станины, модулей линейного перемещения, металлических планок-зажимов и сервопривода, включающего инкрементный преобразователь угловых перемещений (инкрементный энкодер), электромотор с редуктором, блок питания и управления. Испытательная машина подключена к персональному компьютеру и управляется с помощью программы STRAIN.

Рис. 2. Общий вид испытательного оборудования [General view of the test equipment]

Для установления зависимости усилий на электромоторе и растягивающими усилиями в образце (на зажимах) была произведена тарировка испытательного оборудования в обоих направлениях с помощью динамометра ДПУ-0.5-2. Также была выполнена тарировка линейных перемещений данных модулей.

Для измерения полей перемещений и деформаций на поверхности технической ткани с покрытием был выбран один из самых популярных и эффективных оптических методов на сегодняшний день -- метод корреляции цифровых изображений (digital image correlation).

«Корреляция цифровых изображений -- это эффективный бесконтактный метод измерения полей перемещений и деформаций на поверхности исследуемого объекта путем сравнения цифровых фотографий, снятых в течение нагружения образца. Идея данного метода заключается в возможности определения поля смещений с высокой точностью путем отслеживания изменений на поверхности» [4].

В экспериментах для съемки цифровых фотографий был использован зеркальный фотоаппарат Nikon D3100 с разрешением 14,8 мегапикселей, который был жестко закреплен на штативе для исключения колебаний объектива камеры в ходе эксперимента. Для обработки фотографий испытаний технической ткани с покрытием с целью построения полей перемещений и деформаций было использовано программное обеспечение GOM Correlate. На рисунке 3 представлен пример измерения полей перемещений на поверхности образца в GOM Correlate.

Рис. 3. Измерение полей перемещении на поверхности образца в программе GOMCorrelate [Measurement of displacement fields on the sample surface in the GOM Correlate]

Опытные образцы были отобраны из одной партии материала, произведенного двумя компаниями -- немецкой Mehler и французской Serge Ferrari, что уменьшает вероятность разброса механических свойств у материала. Главное отличие заключалось в том, что техническая ткань с покрытием компании Serge Ferrari была изготовлена с технологией Precontraint (сбалансированное и постоянное натяжение нитей основы и утка перед нанесением полимерного покрытия на текстильную основу).

Некоторые характеристики технических тканей с покрытием Mehler Polymar 8212 и Serge Ferrari 402 Precontraint приведены в табл. 1.

Таблица 1 Характеристики технических тканей

Подготовка образцов и методика проведения испытаний были выполнены в соответствии с ГОСТ 30303-95 «Ткани с резиновым или пластмассовым покрытием. Определение разрывной нагрузки и удлинения при разрыве». В работе [2] рассмотрены современные отечественные и зарубежные методики, а также представлены результаты испытаний технических тканей с покрытием. В связи с особенностями данной разрывной машины общий размер образцов составил 50 х 400 мм, рабочий размер -- 50 х 300 мм, что на 100 мм длиннее образцов по ГОСТ 30303-95. Материал был подвергнут растяжению с постоянной скоростью 100 мм/мин. (рис. 4). Испытания проводились до разрушения образцов (рис. 5). На поверхность материала была нанесена (распылена) черная краска для возможности использования оптического метода корреляции цифровых изображений.

Рис. 4. Лабораторное испытание материала при одноосном растяжении [Laboratory test material under uniaxial tension]

Рис. 5. Разрушение технической ткани с покрытием при одноосном растяжении [The destruction of the technical coated with the uniaxial tension]

При подготовке образцов из Mehler Polymar 8212 в направлении нитей утка, а потом и при первых испытаниях материала в этом же направлении был установлен важный факт. При нанесении полимерного покрытия на ткань нити утка искривились на небольшой угол относительно нитей основы и стали не перпендикулярны к ним. Обычно предполагается, что угол межу нитями основы и утка составляет 90°. В нашем случае у материала Mehler отклонение от прямого угла составило около 3°. В соответствии с обнаруженной особенностью образцы технической ткани с покрытием Mehler в направлении нитей утка вырезались из общего полотна не перпендикулярно нитям основы, как этого требует ГОСТ 30303-95, а под небольшим углом так, чтобы количество нитей утка по торцам образца было одинаково.

Казалось бы, такая небольшая погрешность в угле между нитями основы и утка должна была дать небольшое отклонение в значениях свойств технической ткани с покрытием. Однако при испытаниях материала Mehler, вырезанного по ГОСТ 30303-95, было обнаружено, что его свойства более характерны для внеосевых испытаний под углом 5° к нитям утка, чем к осевым испытаниям.

Тем не менее следует отметить, что технология Precontraint всего лишь минимизирует эффект искривления нитей утка относительно нитей основы, но не убирает его полностью. В образцах технической ткани с покрытием Serge Ferrari, вырезанным согласно ГОСТ 30303-95, также наблюдалось искривление нитей утка, впрочем, это не оказало сильного влияния на результат.

По результатам обработки экспериментальных данных были построены кривые зависимостей напряжений от деформаций, в которых наглядно прослеживается физическая нелинейность материала (рис. 6). Также было установлено, что коэффициент Пуассона не является постоянной величиной. На рисунке 7 показана нелинейная зависимость коэффициента Пуассона от напряжений в материале.

Рис. 6. Кривые зависимостей напряжений от деформаций при одноосном растяжении материала: a) Mehler Polymar 8212; б) Serge Ferrari 402 Precontraint [The curves of the stress-strain under uniaxial tensile material: a) Mehler Polymar 8212; b) Serge Ferrari 402 Precontraint]

Рис. 7. Зависимость коэффициентов Пуассона от напряжений в материале Serge Ferrari 402 Prйcontraint в направлении: а) нитей основы; б) нитей утка [Dependence of the Poisson's ratios of the stresses in the material Serge Ferrari 402 Precontraint in the direction: a) warp; b) weft]

Нелинейный характер коэффициента Пуассона можно объяснить особенностью структуры, которая характерна для технической ткани с покрытием, и ортотропностью материала. В целом, техническая ткань с покрытием является композитным материалом.

По результатам экспериментов можно говорить об удовлетворительной сходимости между разрывными характеристиками материала, полученными при лабораторных испытаниях, и нормативными значениями, приведенными в технических каталогах на техническую ткань с покрытием (табл. 2). Разницу приблизительно в 20% между предельными разрывными характеристиками материала в направлении нитей утка у обоих типов технической ткани с покрытием можно попытаться объяснить неизбежными погрешностями в проведении лабораторных испытаний; возможным завышением прочности на растяжение технической ткани с покрытием в направлении нитей утка производителями материала.

Таблица 2