編織繩索的蠕變和松弛行為研究

　　由于芳綸、聚芳酯等合成纖維材料固有的粘彈性，合成纖維繩索在載荷作用下表現(xiàn)出明顯的時(shí)間依賴性，如蠕變和應(yīng)力松弛行為。在真空、高低溫交變和紫外線輻射等復(fù)雜的空間環(huán)境影響下，繩索的蠕變和應(yīng)力松弛行為變得更加復(fù)雜。NASA開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究工作，分析了纖維材料、環(huán)境條件、載荷水平等因素對(duì)編織繩索蠕變與應(yīng)力松弛行為的影響研究發(fā)現(xiàn)，芳綸編織繩索蠕變和應(yīng)力松弛過(guò)程分為初始、穩(wěn)態(tài)和加速3個(gè)階段:其中穩(wěn)態(tài)蠕變應(yīng)變與時(shí)間成線性關(guān)系；初始階段與穩(wěn)態(tài)階段的應(yīng)力松弛率均與時(shí)間呈線性對(duì)數(shù)關(guān)系，且初始階段的松弛率約為第2階段的1.4倍；在50%拉伸強(qiáng)度(UTS)載荷水平下，芳綸編織繩索的蠕變率約為聚芳酯編織繩索的4倍。丁許9研究表明在25%UTS載荷水平下，芳綸編織繩索在40d內(nèi)的松弛率約為聚芳酯纖維編織繩索的2.13倍，說(shuō)明在相同載荷條件下，聚芳酯編織繩索比芳綸編織繩索具有更好的抗蠕變和應(yīng)力松弛性能。

　　在蠕變加速階段，編織繩索的塑性應(yīng)變快速增加，最終導(dǎo)致失效的發(fā)生。NASA蘭利研究中心研制了一套集成加熱和冷卻系統(tǒng)的新型蠕變實(shí)驗(yàn)裝置，研究了聚芳酯編織帶試樣在受控環(huán)境條件下的蠕變行為壽命。結(jié)果顯示，2種長(zhǎng)度的聚芳酯編織帶試樣的蠕變規(guī)律并無(wú)明顯差異。在交變溫度條件下，聚芳酯編織帶穩(wěn)態(tài)蠕變階段內(nèi)的蠕變行為與溫度的變化規(guī)律--致，但較高載荷水平(>50%UTS)可消除交變溫度對(duì)蠕變行為的影響，因此，編織帶的蠕變行為主要與載荷水平和溫度有關(guān)。除此之外，載荷水平對(duì)編織帶的蠕變壽命具有重要影響，編織帶在65%UTS載荷水平下的蠕變壽命約為70%UTS載荷水平下的12倍。NASA 計(jì)劃在未來(lái)開展載荷水平小于50%UTS的蠕變實(shí)驗(yàn)，量化高溫低交變、真空和蠕變載荷等因素對(duì)聚芳酯編織帶蠕變壽命的影響，對(duì)預(yù)測(cè)太空居住艙(Transhub)的蠕變行為和壽命具有重要意義。

　　由于極性基團(tuán)可與水分子締合形成水合物，因此，高性能纖維的力學(xué)性能在一定程度，上受吸濕性的影響。楊惠杰研究了聚酰亞胺編織繩索在不同濕度條件下的蠕變和應(yīng)力松弛行為。結(jié)果顯示，編織繩索在相對(duì)濕度為95%環(huán)境中的穩(wěn)態(tài)蠕變速率約為相對(duì)濕度為60%環(huán)境中的2倍；真空環(huán)境中，編織繩索的松弛率遠(yuǎn)低于常溫常壓和水浸漬環(huán)境下的松弛率。這可能是由于水分子可與聚酰亞胺分子中的酰胺基結(jié)合，導(dǎo)致聚酰亞胺分子鏈之間氫鍵破壞，因此，濕度環(huán)境會(huì)增加親水性纖維(如芳綸)的應(yīng)力松弛率。

　　蠕變和應(yīng)力松弛測(cè)試是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，而且需要特殊的實(shí)驗(yàn)裝置才能提供長(zhǎng)期恒定的載荷或應(yīng)變，基于短期實(shí)驗(yàn)測(cè)試開發(fā)的理論模型可有效降低實(shí)驗(yàn)測(cè)試成本:Tang等基于Schapery 非線性黏彈性本構(gòu)模型建立了繩索應(yīng)力松弛方程，并利用Prony級(jí)數(shù)推導(dǎo)階躍載荷作用下繩索的蠕變-恢復(fù)本構(gòu)模型，為網(wǎng)狀可展開天線索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論支撐，但模型沒(méi)有考慮到繩索的黏塑性行為；Huang等661結(jié)合Schapery模型和Owen黏塑性理論建立了線性本構(gòu)模型，預(yù)測(cè)芳綸和聚酯纖維繩索的蠕變-恢復(fù)行為，模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，但其適用性有待檢驗(yàn)，有望推廣到尺度更小的纖維幾何體，如股線和紗線；Lian等基于熱力學(xué)建立了黏彈性、黏塑性和黏滯損傷蠕變模型，模型計(jì)算結(jié)果與高模量聚乙烯(HMPE)繩索在不同載荷水平下的蠕變測(cè)試數(shù)據(jù)具有較好的一t致性，該模型可有效模擬HMPE繩索的蠕變斷裂行為，但忽略了編織結(jié)構(gòu)對(duì)繩索蠕變行為的影響。目前，這方面的研究還處于初步探索階段，模型的適用性有待檢驗(yàn)。