MODELING OF TECHNICAL COATED FABRICS FOR TENSILE STRUCTURES

Abstract


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


В настоящее время вновь обретают популярность мягкие оболочечные кон- струкции (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, бы- строте монтажа и демонтажа, многократной оборачиваемости, возможности пол- ной 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 числен- ного 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 деятель- ности (опалубка, боновые заграждения, тканевые плотины, резервуары, домкра- ты, спасательные средства и многое другое), а также и в текстильной архитекту- ре (воздухоопорные и тентовые конструкции).Основные компоненты технической ткани с покрытием представлены текстиль- ной основой, чаще всего состоящей из синтетических нитей (полиэфирных, по- липропиленовых, 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 со- бой разрывную машину, состоящую из станины, модулей линейного перемеще- ния, металлических планок-зажимов и сервопривода, включающего инкремент- ный преобразователь угловых перемещений (инкрементный энкодер), электро- мотор 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 оп- тических методов на сегодняшний день - метод корреляции цифровых изобра- жений (digital image correlation).«Корреляция цифровых изображений - это эффективный бесконтактный метод измерения полей перемещений и деформаций на поверхности исследуе- мого объекта путем сравнения цифровых фотографий, снятых в течение нагру- жения образца. Идея данного метода заключается в возможности определения поля смещений с высокой точностью путем отслеживания изменений на поверх- ности» [4].В экспериментах для съемки цифровых фотографий был использован зеркаль- ный 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 исполь- зовано программное обеспечение GOM Correlate. На рисунке 3 представлен при- мер измерения полей перемещений на поверхности образца в GOM Correlate.Рис. 3. Измерение полей перемещений 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, произведенно- го двумя компаниями - немецкой Mehler и французской Serge Ferrari, что умень- шает 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.Характеристики технических тканейТаблица 1МатериалВес, г/м2Толщина, ммТип ткацкого переплетенияРазрывная нагрузка, Н/ 5 см (основа/уток)Mehler Polymar 82126500,5Рогожка 2/22500/2500Serge Ferrari 402 Precontraint4900,4Рогожка 2/22500/2500Подготовка образцов и методика проведения испытаний были выполнены в соответствии с ГОСТ 30303-95 «Ткани с резиновым или пластмассовым покры- тием. Определение разрывной нагрузки и удлинения при разрыве». В работе [2] рассмотрены современные отечественные и зарубежные методики, а также пред- ставлены результаты испытаний технических тканей с покрытием. В связи с осо- бенностями данной разрывной машины общий размер образцов составил 50 × 400 мм, рабочий размер - 50 × 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 возмож- ности 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 установ- лен важный факт. При нанесении полимерного покрытия на ткань нити утка искривились на небольшой угол относительно нитей основы и стали не перпен- дикулярны 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 тех- нической 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 внео- севых испытаний под углом 5° к нитям утка, чем к осевым испытаниям.Тем не менее следует отметить, что технология Precontraint всего лишь мини- мизирует 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 кри- вые зависимостей напряжений от деформаций, в которых наглядно прослежива- ется физическая нелинейность материала (рис. 6). Также было установлено, что коэффициент Пуассона не является постоянной величиной. На рисунке 7 по- казана нелинейная зависимость коэффициента Пуассона от напряжений в мате- риале.a бРис. 6. Кривые зависимостей напряжений от деформаций при одноосном растяжении материала:а) Mehler Polymar 8212; б) Serge Ferrari 402 Precontraint [The curves of the stress-strain under uniaxial tensile material: а) Mehler Polymar 8212; b) Serge Ferrari 402 Precontraint]a бРис. 7. Зависимость коэффициентов Пуассона от напряжений в материале Serge Ferrari 402 Precontraint в направлении: а) нитей основы; б) нитей утка [Dependence of the Poisson’s ratios of the stresses in the materialSerge Ferrari 402 Precontraint in the direction: a) warp; b) weft]Нелинейный характер коэффициента Пуассона можно объяснить особенно- стью структуры, которая характерна для технической ткани с покрытием, и ор- тотропностью материала. В целом, техническая ткань с покрытием является ком- позитным материалом.По результатам экспериментов можно говорить об удовлетворительной схо- димости между разрывными характеристиками материала, полученными при лабораторных испытаниях, и нормативными значениями, приведенными в тех- нических каталогах на техническую ткань с покрытием (табл. 2). Разницу при- близительно в 20% между предельными разрывными характеристиками матери- ала в направлении нитей утка у обоих типов технической ткани с покрытием можно попытаться объяснить неизбежными погрешностями в проведении лабо- раторных испытаний; возможным завышением прочности на растяжение техни- ческой ткани с покрытием в направлении нитей утка производителями матери- ала.Таблица 2Предельная прочность на растяжение, Н / 5 смMehler Polymar 8212Serge Ferrari 402 PrecontraintОсноваНормативное значение2 5002 500Фактическое значение2 373,552 283,74Разница, %4,038,65УтокНормативное значение2 5002 500Фактическое значение2 001,482 014,31Разница, %19,9419,43Для численного моделирования проведенных лабораторных испытаний в MSC Patran были созданы плоские конечно-элементные модели технической ткани с покрытием Mehler и Serge Ferrari (КЭ-модель). КЭ-модель была создана с раз- мером конечных элементов 5 мм, с общим количество узлов - 671, элементов - 600. В модели использовались следующие единицы измерения: линейные раз- меры - мм, вынужденные перемещения - мм, напряжения и модули деформа- ции - Н/мм2 (МПа).Для создания моделей использовались плоские конечные элементы (2D) типа Shell с топологией в форме квадратов (quad) со следующими опциями: thin, homogeneous, standard formulation [7]. Материал задавался изотропным и физи- чески нелинейным. Нагрузка задавалась вынужденным перемещением, модели- рующим лабораторные испытания при одноосном растяжении. В качестве реша- теля был выбран Nast ran с типом решателя nonlinear static (sol 106). Расчет вы- полнялся с учетом физической и геометрической нелинейности. На рисунках 8-10 представлены некоторые результаты численного моделирования.Рис. 8. Напряжения в материале Mehler Polymar 8212 в направлении основы, МПа [Stresses in Mehler Polymar 8212 material in the warp direction, MPa]Рис. 9. Деформации материала Serge Ferrari 402 Precontraint в направлении утка [Warp material Serge Ferrari Precontraint 402 in the weft direction]a бРис. 10. Техническая ткань с покрытием SergeFerrari 402 Precontraint:а) график зависимости напряжений (МПа) от деформаций;б) график зависимости деформаций от процента приложенной нагрузки [Technical coated fabric Serge Ferrari 402 Precontraint: a) plot of stress (MPa) of the deformation;a plot of the strain on the percentage of the applied load]В таблице 3 приведены результаты сравнения напряжений и деформаций в технической ткани с покрытием между лабораторными и численными испыта- ниями.Таблица 3МатериалНаправлениеНапряжения, МПаДеформацииЛабораторные испы- танияMehler Polymar 8212Основа97,5080,189Уток80,8290,23Численное модели- рованиеMehler Polymar 8212Основа97,7960,189Уток80,9280,231Разница (основа / уток), %0,3 / 0,120 / 0,4Лабораторные испы- танияSerge Ferrari 402 PrecontraintОснова118,6780,16Уток102,640,143Численное модели- рованиеSerge Ferrari 402 PrecontraintОснова118,920,161Уток103,260,143Разница (основа / уток), %0,2 / 0,60,63 / 0В заключение можно сделать следующие выводы.Оптический метод корреляции цифровых изображений может успешно при- меняться в испытаниях при одноосном растяжении технической ткани с покры- тием для измерения полей перемещений и деформаций на поверхности образца.При проведении лабораторных испытаний технических тканей с покрытием, у которых отсутствует технология Precontraint, необходимо более внимательно подходить к подготовке образцов.Если при визуальном осмотре технической ткани с покрытием заметна не- перпендикулярность нитей основы и утка или при проведении экспериментов при одноосном растяжении поведение материала несколько отличается от по- ведения при осевых испытаниях, то образцы в направлении нитей утка следует подготавливать определенным образом, отличающимся от приведенной методи- ки в нормативных документах.Показана возможность создания и расчета численной модели материала с фи- зической и геометрической нелинейностью в программном комплексе MSC Patran с отличием в результатах между лабораторными и численными испытаниями ме- нее чем на 1%.В целом, как выявлено в лабораторных испытаниях, техническая ткань с по- крытием является ортотропным и физически нелинейным материалом, что под- тверждается множеством других исследований.© Кустов А.А., 2017

Alexey A Kustov

Moscow State University of Civil Engineering (MGSU)

Author for correspondence.
Email: AlexeyKustov@outlook.com
Jaroslavskoe shosse, 26, Moscow, Russia, 129337

postgraduate student, assistant of department steel and wood construction

  • Krivoshapko S.N. Pneumatic structures and buildings. Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2015. № 3. P. 45—53.
  • Kustov A.A., Ibragimov A.M. Procedures and Results of Full­Scale Tests of Technical Fabrics with Coating. Part 1. Review of Conducted Studies. Stroitel’nye materialy. 2016. № 11. C. 41—45.
  • Skopenko V.A. Tentovaya arkhitektura vchera, segodnya, zavtra. Akademicheskiy vestnik Uralniiproekt RAASN. 2010. S. 30—36.
  • Tret’yakova T.V., Vil’deman V.E. Issledovanie razvitiya treshchin pri slozhnykh rezhimakh nagruzheniya metodom korrelyatsii tsifrovykh izobrazheniy. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov. 2012. № 6. S. 54—58.
  • Ambroziak A. Mechanical properties of PVDF­coated fabric under tensile tests. J. Polym. Eng. 2015. T. 35. № 4. S. 210—224.
  • Cherif C. Textile materials for lightweight constructions: technologies — methods — materials — properties. Springer­Verlag Berlin Heidelberg, 2016. 686 c.
  • MSC Patran 2013 User’s Guide — MSC. Software Corporation, 2013.

Views

Abstract - 1412

PDF (Russian) - 188

PlumX


Copyright (c) 2017 Kustov A.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.