CN101694444B - 纤维织物及纺织结构复合材料力学性能检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纤维织物及纺织结构复合材料力学性能检测评价的新方法，包括：通过X轴拉压单元和/或Y轴拉压单元将待测材料在X轴向和/或Y轴向进行拉伸或压缩；在纤维织物及纺织结构复合材料进行拉伸测试的同时，通过垂直顶破单元对所述待测材料施加沿与所述X轴和Y轴所在平面呈90°夹角方向的顶靠力；通过数字散斑(DSCM)测试单元，测量所述待测材料受力破坏时的形变发生的过程，预测待测材料受力破坏发展趋势。本发明通过对待测材料展开单向拉压、双向拉压实验，并可在待测材料展开拉伸实验时施加垂直顶靠力来观察该待测材料在多种受力条件下破坏性能，实现了对待测材料进行三维多向受力破坏性能进行精确的分析和预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于纤维织物及纺织结构复合材料力学性能综合评价的新方法。
背景技术
纤维纺织结构复合材料具有比强度、比模量高、各向异性小及可生物降解等优点，被广泛应用于室内装饰装修、航空航天、消防器材及汽车内部装饰等多个领域。目前，纺织行业对织物拉伸性能的研究主要集中在织物的单轴拉伸和双向拉伸方面，但织物具有经纬向交织复合结构特点，在实际工作环境中的受力情况往往都是处于多方向、不同大小的复杂状态，这给纤维织物及纺织结构复合材料的性能评价带来一定的困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种纤维织物及纺织结构复合材料力学性能检测方法，可以对纤维织物及纺织结构复合材料进行三维多向受力的性能评价。
为了解决上述问题，本发明提供了一种纤维织物及纺织结构复合材料力学性能检测评价的新方法，包括：
通过X轴拉压单元和/或Y轴拉压单元将待测材料在X轴向和/或Y轴向进行拉伸或压缩，所述X轴向为所述分析仪的左右方向，所述Y轴向为所述分析仪的前后方向；
在进行拉伸或压缩的同时，通过垂直顶破单元对所述待测材料施加沿与所述X轴和Y轴所在平面呈90°夹角方向的顶靠力；
通过数字散斑(DSCM)测试单元测量所述待测材料受力破坏时的变形发生的过程，并对所述待测材料的受力破坏趋势进行预测；
其中，所述X轴拉压单元包括：一对第二装夹头、第二调速电机、第二传动控制系统和第二框架，第二装夹头上设置有用于调节第二装夹头夹持力的第二张紧螺栓，第二调速电机和第二传动控制系统设置在第二框架上，第二装夹头通过第二支架安装在第二传动控制系统的动力输出端；
所述Y轴拉压单元包括：一对第三装夹头、第三调速电机、第三传动控制系统和第三框架，第三装夹头上设置有用于调节第三装夹头夹持力的第三张紧螺栓，第三调速电机和第三传动控制系统设置在第三框架上，第三装夹头通过第三支架安装在第三传动控制系统的动力输出端；
所述垂直顶破单元包括：垂直顶破头、第一调速电机、第一传动控制系统和基座，第一调速电机和第一传动控制系统设置在所述基座上，垂直顶破头设置在第一传动控制系统的动力输出端，第一调速电机设置在第一传动控制系统的动力输入端，所述第一调速电机通过所述第一传动控制系统控制所述垂直顶破头的垂直顶破力、顶破头移动速度和位移。
优选地，所述待测材料的测量限定在环境温度5～45℃、相对湿度＜85％的条件下进行。
优选地，所述待测材料为天然纤维织物、化学纤维织物及由以上纤维织物制成的复合材料。
本发明通过设计可以对待测材料展开单向拉压、双向拉压实验，并可在待测材料展开单向或双向拉伸实验时施加垂直顶靠力来观察该待测材料垂直顶破性能，实现了对待测材料进行三维多向受力破坏性能进行精确的分析。此外，同时利用数字散斑分析处理系统，通过比较被测试件变形前后因测试点的前后移动引起光强分布的变化，利用两幅影像的光强分布函数寻找每一点对的最大相关系数，计算出它的位移场，并通过程序计算出它的应变场，了解纤维织物材料在受力的时候变形的情况，从而能够更准确地评价待测材料在实际工作环境中的受力性能。可以为改进纺织结构复合材料的设计形式和结构提供分析数据。
附图说明
图1为本发明采用的测试装置的结构示意图；
图2为图1左视示意图；
图3为做单向拉伸时测试试件的示意图；
图4为双向拉伸时测试试件的示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用的测试装置包括：X轴拉压单元1、Y轴拉压单元2、垂直顶破单元4和数字散斑(DSCM)测试单元3；其中，X轴拉压单元1用于对待测材料进行在X轴向(在图1中为左右的方向)的拉压；Y轴拉压单元2用于对待测材料进行在Y轴(在图1中为前后的方向)的拉压；垂直顶破单元4用于待测材料在被进行X轴拉伸和Y轴拉伸时，对待测材料施加沿与X轴和Y轴所在的平面相垂直的方向(即与X轴和Y轴所在平面呈90°夹角的方向)的顶靠力；数字散斑(DSCM)测试单元3用于测量待测材料受力时的变形过程，并对待测材料的受力破坏趋势进行预测。待测材料为天然纤维织物、化学纤维织物及由以上纤维织物制成的纺织结构复合材料等。
上述垂直顶破单元4包括：垂直顶破头43、调速电机41、第一传动控制系统42和基座44，第一调速电机41、第一传动控制系统42设置在基座44上，垂直顶破头43设置在第一传动控制系统42的动力输出端，第一调速电机41设置在第一传动控制系统42的动力输入端，第一调速电机41通过第一传动控制系统42控制垂直顶破头43的垂直顶破力、顶破头移动速度和位移等。垂直顶破头43的规格尺寸和形状可以根据需要进行选择。
上述X轴拉压单元1包括：一对第二装夹头13、第二调速电机11、第二传动控制系统12、第二框架14，第二装夹头13上设置有用于调节第二装夹头13夹持力的第二张紧螺栓16，第二调速电机11和第二传动控制系统12设置在第二框架14上，第二装夹头13通过第二支架15安装在第二传动控制系统12的动力输出端，在第二传动控制系统12的控制下使第二装夹头13在X轴即左右方向移动，从而来对待测件施加在X轴方向的拉压力。在本实施例中，第二传动控制系统12采用丝杆连轴结构。
同样，如图2所示，一对第三装夹头23、第三调速电机21、第三传动控制系统22、第三框架24，第三装夹头23上设置有用于调节第三装夹头23夹持力的第三张紧螺栓26，第三调速电机21和第三传动控制系统22设置在第三框架24上，第三装夹头23通过第三支架25安装在第三传动控制系统22的动力输出端，在第三传动控制系统22的控制下使第三装夹头23在Y轴即图2的左右方向(图1的前后方向)移动，从而来对待测件施加在Y轴方向的拉压力。在本实施例中，第三传动控制系统22也采用丝杆连轴结构。
另外，为了防止将待测件夹坏，在第二装夹头13和第三装夹头23上还粘贴有橡胶板。
通过上述X轴拉压单元1、Y轴拉压单元2和垂直顶破单元4共同作用，就可以对待测件施加多向的复合破坏力，再通过数字散斑(DSCM)测试单元3就能够通过比较被测试件变形前后因测试点的前后移动引起光强分布的变化，利用两幅影像的光强分布函数寻找每一点对的最大相关系数，计算出它的位移场，并通过程序计算出它的应变场，了解纤维织物材料在受力的时候变形的情况，从而更准确地评价待测材料在实际工作环境中的受力性能。可以为改进纺织结构复合材料的设计形式和结构提供分析数据。
下面对测试的过程作进一步详细的说明。
单向拉伸：
首先，用于纤维织物及纺织结构复合材料单向拉伸标准测试试件(包括纺织结构复合材料单向压缩标准测试试件)加工尺寸如图3所示。制作的试件需标注出纤维织物的经、纬方向。其中，试件宽度为50mm，长度可根据测试试件的实际长度有所变化，范围在110-300mm之间，厚度不限，以能在第二装夹头13或第三夹头23内方便装卸试件为准。
其次，对纤维织物测试试件做上浆处理：为了保证纤维织物试件双向拉伸测试结果的准确性，必须将面粉和水按1∶5的比例混合，搅拌均匀，将纤维织物双向拉伸测试试件均匀上浆，60℃条件下烘约1个小时，直至烘干，起到边缘加强的效果。
接下来进行单向测试：纤维织物及纺织结构复合材料三维力学性能分析仪设定的单向拉伸力值范围在0-5000N之间，拉伸速度范围在：0.01-2.00mm/s之间。为了便于对纤维织物单向拉伸性能进行比较，消除拉伸速度不同对断裂强力值造成的影响，同时为了能够更直观地观察织物的断裂过程，本试验设定单向拉伸力值为5000N，传感器的精度1N；并采用相同的较慢的拉伸速度0.2mm/s；纤维织物及纺织结构复合材料测试环境条件：环境温度5～45℃，相对湿度＜85％。
选择合适的垂直顶破头类型，在检测纤维织物及纺织结构复合材料单向拉伸性能的同时配合检测材料的垂直顶破性能，纤维织物及纺织结构复合材料三维力学性能分析仪设定的垂直顶破的顶力值范围在0-2000N之间，考虑到待测纤维织物材料的性能及减少垂直顶破头给待测纤维织物材料造成的影响，垂直顶破头的顶力值设定在2000N，传感器的精度1N，顶破头43移动速度范围在0.01-0.1mm/s左右。
将纺织结构复合材料试样在X轴(或Y轴)单向夹持，夹持距离分别为100mm，并使试样的中心对准夹头的中心。为了便于与纺织结构复合材料单向拉伸性能进行比较，同时消除压缩速度不同对断裂强力值造成的影响，本试验设定单向压缩的力值为5000N，传感器的精度1N，并采用相同的较慢的压缩速度0.2mm/s。
对进行纤维织物及纺织结构复合材料数字散斑(DSCM)测试。首先在试件被观察表面喷洒上黑色玻璃微珠薄层以便形成大小均匀的随机分布的增强斑点，调整数字散斑测试单元3的CCD镜头焦距和光圈使获得试件表面的清晰图像，设置快门速度50ms，加载的速度为0.038mm/s，预张紧力值为：经向5N或纬向5N，定义载荷50N、150N、250N、350N、450N、550N时的图像为样本图像，载荷150N、250N、350N、450N、550N、650N时的图像分别为对应的目标图像，进行目标图像与样本图像相关识别和相关计算。对所得数据进行光滑处理的X或Y单位均为3；计算的参数为：图像大小1104×848，步长20×20，计算区域大小540×650，单位为像素(pixel)，各试件试验时的放大倍数为：9.7pixel/mm。
最后是对测试数据的收集和处理。采用数字散斑测试单元3电脑系统进行处理，在电脑的界面上直接读出纤维织物及纺织结构复合材料试样在X或Y方向上的位移，以及纤维织物及纺织结构复合材料试样的伸长。按下来记录位移与力的数据，在记录的过程中可以直观地观察到纤维织物及纺织结构复合材料位移与力值关系曲线。
双向拉伸测试：
将图4的纤维织物及纤维织物复合材料试样在X、Y方向同时夹持，夹持距离分别为100mm，并使试样的中心对准夹头的中心。
为了便于同纤维织物及纺织结构复合材料的单向拉伸性能进行比较，消除拉伸速度不同对断裂强力值造成的影响，同时为了能够更直观地观察纤维织物及纺织结构复合材料在双向拉伸条件下的断裂过程，本试验设定双向(X轴、Y轴)拉伸的力值为5000N，传感器的精度1N，并采用相同的较慢的压缩速度0.2mm/s。
在检测纤维织物及纺织结构复合材料双向拉伸性能的同时配合检测材料的垂直顶破，垂直顶破头的顶力值设定为2000N，传感器的精度1N，顶破头移动速度范围在：0.01-0.1mm/s之间。
数字散斑测试和处理同上。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种纤维织物及纺织结构复合材料力学性能检测方法，包括：
通过X轴拉压单元和/或Y轴拉压单元将待测材料在X轴向和/或Y轴向进行拉伸或压缩，所述X轴向为所述分析仪的左右方向，所述Y轴向为所述分析仪的前后方向；
在进行拉伸的同时，通过垂直顶破单元对所述待测材料施加沿与所述X轴和Y轴所在平面呈90°夹角方向的顶靠力；
通过数字散斑测试单元测量所述待测材料受力破坏时的变形发生的过程，并对所述待测材料的受力破坏趋势进行预测；
其中，所述X轴拉压单元包括：一对第二装夹头、第二调速电机、第二传动控制系统和第二框架，第二装夹头上设置有用于调节第二装夹头夹持力的第二张紧螺栓，第二调速电机和第二传动控制系统设置在第二框架上，第二装夹头通过第二支架安装在第二传动控制系统的动力输出端；
所述Y轴拉压单元包括：一对第三装夹头、第三调速电机、第三传动控制系统和第三框架，第三装夹头上设置有用于调节第三装夹头夹持力的第三张紧螺栓，第三调速电机和第三传动控制系统设置在第三框架上，第三装夹头通过第三支架安装在第三传动控制系统的动力输出端；
所述垂直顶破单元包括：垂直顶破头、第一调速电机、第一传动控制系统和基座，第一调速电机和第一传动控制系统设置在所述基座上，垂直顶破头设置在第一传动控制系统的动力输出端，第一调速电机设置在第一传动控制系统的动力输入端，所述第一调速电机通过所述第一传动控制系统控制所述垂直顶破头的垂直顶破力、顶破头移动速度和位移。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测材料的测量限定在环境温度5～45℃、相对湿度＜85％的条件下进行。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述待测材料为天然纤维织物、化学纤维织物及由以上纤维织物制成的复合材料。
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