МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ С ПОКРЫТИЕМ ДЛЯ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Полный текст

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

Об авторах

Алексей Андреевич Кустов

Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: AlexeyKustov@outlook.com

аспирант, ассистент кафедры металлических и деревянных конструкций

Ярославское шоссе, 26, Москва, Россия, 129337

Список литературы