编织绳索的蠕变和松弛行为研究

　　编织绳索的蠕变和松弛行为研究

　　由于芳纶、聚芳酯等合成纤维材料固有的粘弹性，合成纤维绳索在载荷作用下表现出明显的时间依赖性，如蠕变和应力松弛行为。在真空、高低温交变和紫外线辐射等复杂的空间环境影响下，绳索的蠕变和应力松弛行为变得更加复杂。NASA开展了大量的实验研究工作，分析了纤维材料、环境条件、载荷水平等因素对编织绳索蠕变与应力松弛行为的影响研究发现，芳纶编织绳索蠕变和应力松弛过程分为初始、稳态和加速3个阶段:其中稳态蠕变应变与时间成线性关系；初始阶段与稳态阶段的应力松弛率均与时间呈线性对数关系，且初始阶段的松弛率约为第2阶段的1.4倍；在50%拉伸强度(UTS)载荷水平下，芳纶编织绳索的蠕变率约为聚芳酯编织绳索的4倍。丁许9研究表明在25%UTS载荷水平下，芳纶编织绳索在40d内的松弛率约为聚芳酯纤维编织绳索的2.13倍，说明在相同载荷条件下，聚芳酯编织绳索比芳纶编织绳索具有更好的抗蠕变和应力松弛性能。

　　在蠕变加速阶段，编织绳索的塑性应变快速增加，最终导致失效的发生。NASA兰利研究中心研制了一套集成加热和冷却系统的新型蠕变实验装置，研究了聚芳酯编织带试样在受控环境条件下的蠕变行为寿命。结果显示，2种长度的聚芳酯编织带试样的蠕变规律并无明显差异。在交变温度条件下，聚芳酯编织带稳态蠕变阶段内的蠕变行为与温度的变化规律--致，但较高载荷水平(>50%UTS)可消除交变温度对蠕变行为的影响，因此，编织带的蠕变行为主要与载荷水平和温度有关。除此之外，载荷水平对编织带的蠕变寿命具有重要影响，编织带在65%UTS载荷水平下的蠕变寿命约为70%UTS载荷水平下的12倍。NASA 计划在未来开展载荷水平小于50%UTS的蠕变实验，量化高温低交变、真空和蠕变载荷等因素对聚芳酯编织带蠕变寿命的影响，对预测太空居住舱(Transhub)的蠕变行为和寿命具有重要意义。

　　由于极性基团可与水分子缔合形成水合物，因此，高性能纤维的力学性能在一定程度，上受吸湿性的影响。杨惠杰研究了聚酰亚胺编织绳索在不同湿度条件下的蠕变和应力松弛行为。结果显示，编织绳索在相对湿度为95%环境中的稳态蠕变速率约为相对湿度为60%环境中的2倍；真空环境中，编织绳索的松弛率远低于常温常压和水浸渍环境下的松弛率。这可能是由于水分子可与聚酰亚胺分子中的酰胺基结合，导致聚酰亚胺分子链之间氢键破坏，因此，湿度环境会增加亲水性纤维(如芳纶)的应力松弛率。

　　蠕变和应力松弛测试是一个非常耗时的过程，而且需要特殊的实验装置才能提供长期恒定的载荷或应变，基于短期实验测试开发的理论模型可有效降低实验测试成本:Tang等基于Schapery 非线性黏弹性本构模型建立了绳索应力松弛方程，并利用Prony级数推导阶跃载荷作用下绳索的蠕变-恢复本构模型，为网状可展开天线索网结构的设计和优化提供了理论支撑，但模型没有考虑到绳索的黏塑性行为；Huang等661结合Schapery模型和Owen黏塑性理论建立了线性本构模型，预测芳纶和聚酯纤维绳索的蠕变-恢复行为，模型的计算结果与实验结果相吻合，但其适用性有待检验，有望推广到尺度更小的纤维几何体，如股线和纱线；Lian等基于热力学建立了黏弹性、黏塑性和黏滞损伤蠕变模型，模型计算结果与高模量聚乙烯(HMPE)绳索在不同载荷水平下的蠕变测试数据具有较好的一t致性，该模型可有效模拟HMPE绳索的蠕变断裂行为，但忽略了编织结构对绳索蠕变行为的影响。目前，这方面的研究还处于初步探索阶段，模型的适用性有待检验。