CN107328666A - 一种织物膜材双轴剪切测试方法 - Google Patents

一种织物膜材双轴剪切测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种织物膜材双轴剪切测试方法，包括：步骤1、利用织物膜材制作十字型双轴剪切试件，使得织物膜材的经纬方向与试件的十字型主轴的夹角为45°；十字型主轴包括x轴和y轴，所述x轴和所述y轴相互垂直；步骤2、根据十字型双轴剪切试件的参数，定义织物膜材双轴剪切加载谱，并对十字型双轴剪切试件实施所述织物膜材双轴剪切加载谱。本发明方法中的双轴剪切加载谱能实现包含正负剪应力于剪应力环的分级循环剪切载荷、循环预剪切加载。本发明的方法可测定和表征织物膜材双轴剪切刚度和力学行为，可应用于建筑织物膜材、飞艇织物蒙皮和其它工业织物领域等。

Description

一种织物膜材双轴剪切测试方法
技术领域
本发明涉及一种织物膜材双轴剪切测试方法，可以用于建筑织物膜材、飞艇织物蒙皮等织物膜材的剪切测试，属于材料力学实验技术领域。
背景技术
织物膜材是一种广泛应用的复合材料，主要应用于土木建筑、航空航天等工业领域。织物膜材由织物基布构成，织物基布是由高分子纤维经过纺纱再编织加工而成。织物膜材在工作受力状态一般为双向张力状态，但由于载荷非对称、材料复杂微观结构、复杂的实际约束边界与施工张拉过程等，织物膜也会产生剪应力状态。织物膜材属于高分子复合材料，具有复杂的力学性质，其受拉力学参数测定方法较成熟，可采用单轴或双轴拉伸测试方法，而对剪切测试方法和剪切力学特性尚不充分。
易洪雷,丁辛，陈守辉著的“PES/PVC膜材料拉伸性能的各向异性及破坏准则”(复合材料学报，2015，22(6)：98-102)进行了不同偏轴角度下的单向拉伸试验，表明拉剪混合型破坏模式下材料断裂强度难以预测。
何世赞，陈务军，高成军著的“浮空器蒙皮膜复合材料单轴拉伸力学性能及弹性常数”(复合材料学报，2017，34(1)：224-230)进行了材料在不同偏轴角度下的单轴拉伸试验，结果表明单层板推导出的弹性本构关系对平纹层压膜适用性较差。
李阳著的“建筑膜材料和膜结构的力学性能研究与应用”(同济大学博士学位论文，2007.8)研究了双轴拉伸试验机，定制了双轴拉伸加载谱和试验方法。
陈建稳，陈务军，张大旭著的“PVDF/PES涂层织物循环拉伸力学性能及弹性模量”(华南理工大学学报(自然科学版)，2013，41(6)：69-76)采用分别单轴循环拉伸和双轴循环拉伸得到单双轴循环试验结果。
陈务军，王利钢，高成军著的“P/G类建筑织物膜材双轴剪切试验及力学特性分析”(建筑材料学报，2016，19(3)：539-543)研究了织物膜材的双轴剪切试验方法及膜材的剪切力学性能。
高成军，陈务军，邱振宇，张大旭著的“建筑织物膜材双轴剪切试验与分析”(实验力学，2016,31(1)：25-30)研究了建筑织物膜材的双轴剪切力学性能。
目前双轴剪切测试方法还不完善，在正负剪应力场、剪应力预加载、剪应力水平和正应力水平控制方面存在不足和缺陷，未能准确揭示织物膜材真实剪切力学性能，并测定其参数规律，不满足织物膜材精细模型对剪切测试技术要求。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够准确测定织物膜材真实剪切力学性能的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种织物膜材双轴剪切测试方法，包括如下步骤：
步骤1、利用织物膜材制作十字型双轴剪切试件，使得织物膜材的经纬方向与试件的十字型主轴的夹角为45°；十字型主轴包括x轴和y轴，所述x轴和所述y轴相互垂直；
步骤2、根据所述十字型双轴剪切试件的参数，定义织物膜材双轴剪切加载谱，并对所述十字型双轴剪切试件实施所述织物膜材双轴剪切加载谱。
进一步地，在步骤1中，使十字型双轴剪切试件包括中芯区和四个伸臂，伸臂的端部为夹持段，所述夹持段用于连接双轴拉伸试验机的夹具，所述伸臂将所述双轴拉伸试验机施加的荷载传递到中芯区；中芯区为测试区，通过测试中芯区的剪切变形得到织物膜材的剪切性能。
进一步地，步骤1中选取的织物膜材无明显纬斜、弓曲、砂眼等缺陷，且距离膜材幅宽边缘不小于10cm、距膜材端部不小于10cm。采用手工或者自动裁切机进行裁切。
进一步地，所述十字型双轴剪切试件的伸臂上设置有多道平行于伸臂的切缝，伸臂间具有直角倒圆角。
进一步地，所述织物膜材双轴剪切加载谱为施加于所述十字型双轴剪切试件的交变拉力，能够实现包含正负剪应力于剪应力环(即施加的微循环剪应力，在同一剪应力环中包含正负剪应力)的分级循环剪切载荷、循环预剪切加载。此处正负的规定可以是顺时针剪切为正，逆时针剪切为负。
进一步地，所述织物膜材双轴剪切加载谱实施时，织物膜经纬向的拉伸应力基本恒定，剪应力分级逐渐增大，在不同剪应力水平前设有剪切预加载，使织物膜材恢复初始稳定力学状态；剪切预加载的应力值和循环次数根据需要设定。
进一步地，步骤2中，所述参数包括加载级数i＝1～N、分级剪切加载上限σiU、分级加载下限σiL、分级循环数n、循环周期t、剪切预加载上限σyU、剪切预加载下限σyL，经纬基准拉伸应力σB。其中，n为大于等于3，优选为3。N为3～5，优选为5。
进一步地，所述织物膜材双轴剪切加载谱的加载过程包括：
步骤2.1、在十字型双轴剪切试件的x轴和y轴同步施加拉力，至十字型双轴剪切试件的经纬向的拉伸应力达到经纬基准拉伸应力σB；
步骤2.2、x轴继续增加拉力至分级剪切加载上限σiU，y轴则反向同速卸载至分级剪切加载下限σiL；
步骤2.3、x轴反向卸载至经纬基准拉伸应力σB，y轴反向同速增加拉力至经纬基准拉伸应力σB；
步骤2.4、x轴继续卸载至分级剪切加载下限σiL，而y轴继续同速增加拉力至分级剪切加载上限σiU；
步骤2.5、x轴反向增加拉力至经纬基准拉伸应力σB，y轴反向同速卸载至经纬基准拉伸应力σB；
步骤2.6、重复步骤2.1～2.5n次，完成第一级剪切加载；
步骤2.7、根据步骤2.1～2.5中的方法以及剪切预加载上限σyU、剪切预加载下限σyL，完成第二级剪切预加载；
步骤2.8、重复步骤2.1～2.7，完成N级剪切加载。
本发明的方法中，双轴剪切加载谱基于织物膜材经纬向与荷载方向夹角45°条件下的十字型双轴剪切试件变形规律设计，通过控制施加于十字型双轴剪切试件的两个正交十字型主轴方向的交变拉力，实现包含正负剪应力于剪应力环的分级循环剪切载荷、循环预剪切加载。
与现有技术相比，本发明的织物膜材双轴剪切测试方法能够准确揭示织物膜材真实剪切力学性能，并测定其参数规律，满足织物膜材精细模型对剪切测试技术要求。
本发明的方法可测定和表征织物膜材双轴剪切刚度和力学行为，可应用于建筑织物膜材、飞艇织物蒙皮和其它工业织物领域等。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的十字型双轴剪切试件的俯视图；
图2是本发明的一个较佳实施例的织物膜材双轴剪切加载谱。
具体实施方式
本发明提供了一种织物膜材双轴剪切测试方法，包括如下步骤：
步骤1、利用织物膜材制作十字型双轴剪切试件，使得织物膜材的经纬方向与试件的十字型主轴的夹角为45°。
图1显示了所制作的十字型双轴剪切试件的俯视图，该试件包括中芯区1和四个伸臂2，伸臂2的端部为夹持段3，夹持段3用于连接双轴拉伸试验机的夹具，伸臂2将双轴拉伸试验机施加的荷载传递到中芯区1；中芯区1为测试区，通过测试中芯区1的剪切变形得到织物膜材的剪切性能。本实施例采用两个高精度引伸计测量中芯区1的剪切变形。为了便于剪切加载谱描述，将图1中的两个十字型主轴分别定义为x轴和y轴，x轴和y轴相互垂直。
本实施例选取的织物膜材无明显纬斜、弓曲、砂眼等缺陷，且距离膜材幅宽边缘不小于10cm、距膜材端部不小于10cm。采用手工或者自动裁切机进行裁切。
十字型双轴剪切试件的伸臂2上设置有多道平行于伸臂2的切缝4，伸臂2间具有直角倒圆角R。织物膜材十字型双轴剪切试件总长Ls，伸臂长为La，夹持段长a，中芯区域边长w正方形，平行切缝端距中芯边d。
步骤2、根据十字型双轴剪切试件的参数，定义织物膜材双轴剪切加载谱，并对十字型双轴剪切试件实施织物膜材双轴剪切加载谱。
其中，步骤2中，参数包括加载级数i＝1～N、分级剪切加载上限σiU、分级加载下限σiL、分级循环数n、循环周期t、剪切预加载上限σyU、剪切预加载下限σyL，经纬基准拉伸应力σB。其中，n为大于等于3，优选为3。N为3～5，优选为5。
织物膜材双轴剪切应力：(σx和σy分别为x和y方向的应力)
织物膜材经纬向应力为：
图2定义了本实施例的一种织物膜材双轴剪切加载谱，其加载过程包括：
步骤2.1、在十字型双轴剪切试件的x轴和y轴同步施加拉力，至十字型双轴剪切试件的经纬向的拉伸应力达到经纬基准拉伸应力σB；
步骤2.2、x轴继续增加拉力至分级剪切加载上限σiU，y轴则反向同速卸载至分级剪切加载下限σiL；
步骤2.3、x轴反向卸载至经纬基准拉伸应力σB，y轴反向同速增加拉力至经纬基准拉伸应力σB；
步骤2.4、x轴继续卸载至分级剪切加载下限σiL，而y轴继续同速增加拉力至分级剪切加载上限σiU；
步骤2.5、x轴反向增加拉力至经纬基准拉伸应力σB，y轴反向同速卸载至经纬基准拉伸应力σB；
步骤2.6、重复步骤2.1～2.5n次，完成第一级剪切加载；
步骤2.7、根据步骤2.1～2.5中的方法以及剪切预加载上限σyU、剪切预加载下限σyL，完成第二级剪切预加载；
步骤2.8、重复步骤2.1～2.7，完成N级剪切加载。
通过上述双轴剪切加载谱，可实现在任意剪切循环包含正负剪应力场，织物膜经纬向应力基本恒定，剪应力可以分级逐渐增大，在不同剪应力水平前设有剪切预加载，使织物膜材恢复初始稳定力学状态，剪切预加载的应力值和循环次数可设定。
本实施例中，在具体实施时，织物膜材十字型双轴剪切试件总长Ls，伸臂长为La，夹持段长a，中芯区域边长w正方形，平行切缝端距中芯边d，伸臂间直角倒圆角R，可根据织物膜材特性和试验需要设计。
在较佳实例中，可取尺寸w＝160mm，a＝40mm，d＝15mm，La＝160mm，R＝15mm，Ls＝560mm。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种织物膜材双轴剪切测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、利用织物膜材制作十字型双轴剪切试件，使得织物膜材的经纬方向与试件的十字型主轴的夹角为45°；十字型主轴包括x轴和y轴，所述x轴和所述y轴相互垂直；
步骤2、根据所述十字型双轴剪切试件的参数，定义织物膜材双轴剪切加载谱，并对所述十字型双轴剪切试件实施所述织物膜材双轴剪切加载谱。
2.根据权利要求1所述的织物膜材双轴剪切测试方法，其特征在于，在步骤1中，使十字型双轴剪切试件包括中芯区和四个伸臂，伸臂的端部为夹持段，所述夹持段用于连接双轴拉伸试验机的夹具，所述伸臂将所述双轴拉伸试验机施加的荷载传递到中芯区；中芯区为测试区，通过测试中芯区的剪切变形得到织物膜材的剪切性能。
3.根据权利要求1所述的织物膜材双轴剪切测试方法，其特征在于，步骤1中选取的织物膜材无纬斜、弓曲、砂眼，且距离膜材幅宽边缘不小于10cm、距膜材端部不小于10cm。
4.根据权利要求1所述的织物膜材双轴剪切测试方法，其特征在于，所述十字型双轴剪切试件的伸臂上设置有多道平行于伸臂的切缝，伸臂间具有直角倒圆角。
5.根据权利要求1所述的织物膜材双轴剪切测试方法，其特征在于，所述织物膜材双轴剪切加载谱为施加于所述十字型双轴剪切试件的交变拉力，能够实现包含正负剪应力于剪应力环的分级循环剪切载荷、循环预剪切加载。
6.根据权利要求1所述的织物膜材双轴剪切测试方法，其特征在于，所述织物膜材双轴剪切加载谱实施时，织物膜经纬向的拉伸应力基本恒定，剪应力分级逐渐增大，在不同剪应力水平前设有剪切预加载，使织物膜材恢复初始稳定力学状态；剪切预加载的应力值和循环次数根据需要设定。
7.根据权利要求1所述的织物膜材双轴剪切测试方法，其特征在于，步骤2中，所述参数包括加载级数i＝1～N、分级剪切加载上限σiU、分级加载下限σiL、分级循环数n、循环周期t、剪切预加载上限σyU、剪切预加载下限σyL，经纬基准拉伸应力σB。
8.根据权利要求1所述的织物膜材双轴剪切测试方法，其特征在于，所述织物膜材双轴剪切加载谱的加载过程包括：
步骤2.1、在十字型双轴剪切试件的x轴和y轴同步施加拉力，至十字型双轴剪切试件的经纬向的拉伸应力达到经纬基准拉伸应力σB；
步骤2.2、x轴继续增加拉力至分级剪切加载上限σiU，y轴则反向同速卸载至分级剪切加载下限σiL；
步骤2.3、x轴反向卸载至经纬基准拉伸应力σB，y轴反向同速增加拉力至经纬基准拉伸应力σB；
步骤2.4、x轴继续卸载至分级剪切加载下限σiL，而y轴继续同速增加拉力至分级剪切加载上限σiU；
步骤2.5、x轴反向增加拉力至经纬基准拉伸应力σB，y轴反向同速卸载至经纬基准拉伸应力σB；
步骤2.6、重复步骤2.1～2.5n次，完成第一级剪切加载；
步骤2.7、根据步骤2.1～2.5中的方法以及剪切预加载上限σyU、剪切预加载下限σyL，完成第二级剪切预加载；
步骤2.8、重复步骤2.1～2.7，完成N级剪切加载。
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