機織物增強輕型輸送帶靜、動態(tài)加載下拉伸力學(xué)性能研究及數(shù)值模擬.pdf

1、與傳統(tǒng)的剛性紡織復(fù)合材料相比，織物增強柔性復(fù)合材料具有大變形、高承載能力及良好的抗疲勞性能等優(yōu)點?？椢镄据p型輸送帶作為一種由織物為增強骨架材料，表面涂覆高分子材料制備而成的織物增強柔性復(fù)合材料，在使用過程中，不儀起到承載物料的作用，同時還起到傳遞動力和牽引力的作用。作為帶式輸送機的關(guān)鍵部件之一，織物芯輕型輸送帶需具有優(yōu)良的力學(xué)性能，因而全面研究織物芯輕型輸送帶的力學(xué)性能，對帶式輸送機的設(shè)計和織物芯輸送帶的制備加工均具有非常重要的現(xiàn)實意義

2、。
　　 目前，對織物芯輕型輸送帶力學(xué)性能研究的方法基本上與建筑膜材料和簾線增強橡膠類柔性復(fù)合材料相似，但側(cè)重點有所不同?；诖?，本文以機織物增強輕型輸送帶為研究對象，針對織物芯輕型輸送帶的使用條件和對力學(xué)性能的要求，對其力學(xué)性能進(jìn)行更加深入的研究，以期把握機織物增強輕型輸送帶拉伸力學(xué)性能的特點，為機織物增強輕型輸送帶的使用和加工提供參考和依據(jù)。同時，也寄希望對織物增強類柔性復(fù)合材料力學(xué)性能的研究做進(jìn)一步的補充和完善，為更加全面

3、把握織物增強柔性復(fù)合材料的力學(xué)性能添磚加瓦。
　　 本文主要對機織物增強輕型輸送帶在單軸向-偏軸向加載條件下的力學(xué)性能(包括非線性、非彈性、加載各向異性、缺口敏感性、低周疲勞性能)進(jìn)行了試驗研究和理論分析，并基于織物幾何模型對2.5D機織物增強輕型輸送帶的拉伸性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文主要研究內(nèi)容可概況如下：
　　 (1)拉伸行為特性及破壞機理
　　 論文對機織物增強輕型輸送帶材料在單軸-偏軸向作用力下的拉伸性能進(jìn)

4、行了試驗測試與理論分析，結(jié)果表明，機織物增強輕型輸送帶的拉伸力學(xué)性能具有明顯的非線性，其拉伸曲線根據(jù)各區(qū)域的非線性程度可采用三段式模型來描述，低應(yīng)力下的非線性特征可用雙線性模型來表征。此外，基于多層織物增強柔性復(fù)合材料拉伸受力模型的變形機理和測試原理，對機織物增強輕型輸送帶在低應(yīng)變下所產(chǎn)生的雙線性原因進(jìn)行了較為全面的分析。
　　 基于反復(fù)加載/卸載曲線，對機織物增強輕型輸送帶在不同加載水平和加載/卸載次數(shù)下的非彈性和非線性進(jìn)行了

5、研究和分析。實驗結(jié)果表明，機織物增強輕型輸送帶的非彈性程度與循環(huán)加載載荷水平和加載/卸載次數(shù)密切相關(guān)，即使在小加載載荷水平下(15％最大抗拉強力)，50次反復(fù)加載后，相對殘余變形指數(shù)β達(dá)到18.05％，表現(xiàn)出明顯的非彈性特征。各加載載荷水平下的最大變形量1max、殘余變形量1min和相對殘余變形指數(shù)β隨加載/卸載次數(shù)N的變化關(guān)系可用冪函數(shù)來表示。從分析結(jié)果可以看出，為確保機織物增強輕型輸送帶運行平穩(wěn)、使用可靠，需對使用過程中所產(chǎn)生非彈性

6、的程度加以控制，在運行時間不變的前提下，非彈性變形程度可通過減少加載載荷水平來實現(xiàn)。對各加載曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，機織物增強輕型輸送帶的彈性模量和屈服強度隨著加載次數(shù)之間的變化關(guān)系可分別用冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)來表示。同時加載曲線的線性程度隨著加載/卸載次數(shù)的增加而有所提高，且加載載荷水平越高時，線性化程度的提高表現(xiàn)得越明顯。
　　 對不同加載速度下的拉伸性能指標(biāo)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，機織物增強輕型輸送帶具有明顯的加載速度依賴性，即應(yīng)變率相關(guān)性。

7、隨著加載速度的增加，其抗拉強度、彈性模量、屈服強度隨之增加，而斷裂伸長率逐漸減少，失穩(wěn)應(yīng)變基本保持不變，能量吸收特性的變化較為復(fù)雜。
　　 論文對7個偏軸向加載下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明機織物增強輕型輸送帶可認(rèn)為是一種平面正交各向異性材料。其破壞模式與機織建筑膜材料相似，可分為純拉伸失效、純剪切失效及拉-剪混合失效三種失效模式。Tsai-Hill強度失效準(zhǔn)則可用于預(yù)測純拉伸或純剪切失效模式下的強度預(yù)測，但不適用于拉剪混合失

8、效模式，并基于拉伸變形機理對不適用的原因進(jìn)行了分析。余弦調(diào)和級數(shù)可較好地預(yù)測各種失效模式下的失效強度，且能反映出抗拉強度、彈性模量及失效伸長率之間的非同相性。
　　 (2)缺口敏感性及斷裂力學(xué)的應(yīng)用
　　 輕型輸送帶的表面損傷或內(nèi)部缺陷在使用過程不斷萌生、擴展，而最終導(dǎo)致其斷裂破壞或失效，因而對預(yù)置損傷試樣在外加載荷下的拉伸力學(xué)性能和破壞機理進(jìn)行研究具有實際意義，對工程技術(shù)人員選擇材料以及加工工藝提供可靠的依據(jù)，同時也是

9、輕型輸送帶材料可靠性研究中的重要一環(huán)。
　　 論文以機織平紋為增強骨架材料的輕型輸送帶為試驗對象，對預(yù)置裂紋型切口(單邊、雙邊及中心切口)和中心圓孔拉伸試樣的拉伸力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明機織物增強輕型輸送帶具有強烈的缺口敏感性，且缺口敏感性與切口類型和切口深度密切相關(guān)。在本論文的試驗條件下，相對于中心圓孔切口，機織物增強輕型輸送帶對裂紋型切口最為敏感，其中對單邊切口敏感性程度最高，而雙邊切口相對較低。對拉伸曲線和拉伸過程進(jìn)行

10、分析發(fā)現(xiàn)，切口試樣的斷裂模式具有一定的規(guī)律性，在低速外加載荷作用下，切口根部紗線逐根斷裂，導(dǎo)致其拉伸曲線呈現(xiàn)明顯的多峰特性，基于此，可認(rèn)為拉伸曲線初始峰對應(yīng)的強力為切口擴展臨界強力。同時，采用斷裂力學(xué)理論對切口試樣的斷裂韌性進(jìn)行計算，計算結(jié)果也表明，機織物增強輕型輸送帶的斷裂韌性與切口類型密切相關(guān)。此外，在對切口試樣拉伸斷裂過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，嘗試解釋了不同類型切口試樣的切口敏感性程度存在差異性的原因。
　　 對切口敏感性進(jìn)行

11、研究表明，在使用過程中，需對機織物增強輕型輸送帶的附加損傷形式和尺寸進(jìn)行控制，以確保機織物增強輕型輸送帶在運行過程中具有較高的可靠性和安全性。
　　 (3)低周疲勞性能及疲勞壽命分布
　　 雖然在設(shè)計和使用時，通常選用較高的安全系數(shù)以確保輕型輸送帶具有較高的可靠性和安全性，但在啟動階段或過載情況下，輕型輸送帶的實際承載載荷遠(yuǎn)高于設(shè)計強力，這將明顯地縮短輸送帶的使用壽命。基于此，論文對機織物增強輕型輸送帶在高加載載荷下的低

12、周疲勞性能進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，機織物增強輕型輸送帶的低周疲勞壽命曲線可用S-N曲線來表示。以動態(tài)蠕變和動態(tài)殘余變形為累積損傷變量時，其變化過程表明機織物增強輕型輸送帶材料的疲勞累積損傷具有明顯的非線性，即表明損傷發(fā)展過程可用非線性累積損傷理論來描述，同時還發(fā)現(xiàn)機織物增強輕型輸送帶的疲勞累積損傷具有明顯的階段性。疲勞加載載荷水平和交變載荷比的增加不僅會縮短機織物增強輕型輸送帶的疲勞壽命，同時還會弱化疲勞累積損傷的階段性，以及改變疲勞

13、壽命分散性。在高疲勞水平下的殘余抗拉強度、殘余強度的劣化也直接或間接地反映了疲勞加載對機織物增強輕型輸送帶機械性能的劣化作用。
　　 疲勞是一個隨機現(xiàn)象，材料或結(jié)構(gòu)的疲勞壽命一般取決于材料的性能、疲勞裂紋萌生部位的幾何形狀，應(yīng)力-應(yīng)變歷史、測試環(huán)境以及其它隨機因素，因此常規(guī)的分析方法無法客服疲勞過程的隨機性，疲勞過程的隨機性導(dǎo)致了疲勞壽命的高分散性，這給疲勞壽命的評價帶來了極大的困難，因此需借助概率統(tǒng)計的方法。論文嘗試采用三參數(shù)

14、Weibull模型對機織物增強輕型輸送帶的疲勞壽命進(jìn)行了統(tǒng)計分析，并采用一階灰色建模法對統(tǒng)計模型的參數(shù)進(jìn)行了估計，K-S檢驗法的結(jié)果驗證了所選用模型的可行性和參數(shù)估值方法的科學(xué)性。
　　 (4)拉伸力學(xué)性能的數(shù)值模擬
　　 為更加深入地研究織物增強輕型輸送帶材料的在拉伸載荷作用下的變形機理，論文采用幾何建模軟件并結(jié)合點控制的建模思想建立了2.5D機織物增強輕型輸送帶材料的幾何模型，并嘗試基于孤立網(wǎng)格部件對其拉伸力學(xué)性能進(jìn)

15、行了數(shù)值模擬。
　　 由于幾何建模和數(shù)值模擬分析時的簡化假設(shè)，導(dǎo)致了模擬結(jié)果在1.00％應(yīng)變以上時，與實測結(jié)果之間存在差異性。數(shù)值模擬結(jié)果反映了2.5D機織物增強輕型輸送帶材料在初始階段的變形主要源自經(jīng)紗屈曲結(jié)構(gòu)的改變，隨著加載應(yīng)變的增加，經(jīng)紗伸長逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。同時數(shù)值模擬結(jié)果還表明，2.5D機織物增強輕型輸送帶中緯紗主要起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和約束經(jīng)紗屈曲結(jié)構(gòu)改變的作用，對拉伸性能的作用并不明顯。
　　 此外，論文還對2.5