CN108760534B - 一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法 - Google Patents

一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，涉及材料力学实验技术领域，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；步骤2、根据十字型双轴剪切试件的参数，对十字型双轴剪切试件实施织物膜材单调双轴剪切加载谱试验；步骤3、根据实施织物膜材单调双轴剪切加载谱试验得到的剪应力剪应变曲线，确定织物膜材双轴剪切屈服点；步骤4、根据双轴剪切屈服点，对十字型双轴剪切试件实施织物膜材低周循环双轴剪切加载谱试验；步骤5、根据实施织物膜材低周循环双轴剪切加载谱试验得到的剪应力剪应变循环曲线，确定剪切弹性模量。所述测试方法，可准确测定和表征织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量。

Description

一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法
技术领域
本发明涉及材料力学实验技术领域，尤其涉及一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法。
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和航空航天等工业领域。织物膜材由织物基布和高分子聚合物薄膜(或涂层)构成，其中，织物基布由高分子纤维经过纺纱再编织加工而成，可作为结构承力层；高分子聚合物薄膜(或涂层)通过层压复合或涂覆而成，可作为功能层。
通常，织物膜材的工作受力状态一般为双向张力状态，但织物膜材属于高分子复合材料，具有复杂的力学性质，因此，织物膜材在载荷非对称、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条件的作用下，会产生剪应力状态，且剪应力易造成拉伸强度降低和破坏模式改变等后果。
目前，织物膜材的受拉力学参数的测定方法较成熟，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研究尚不充分，并且对膜结构工程设计中关于剪切的力学模型和参数难以合理确定。
比如：李阳2007年发表的博士学位论文“建筑膜材料和膜结构的力学性能研究与应用”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。
随后，陈建稳等2013年在华南理工大学学报(自然科学版)发表的论文“PVDF/PES涂层织物循环拉伸力学性能及弹性模量”分别采用单轴循环拉伸和双轴循环拉伸得到单双轴循环试验结果。
接着，易洪雷等2015年在复合材料学报发表的论文“PES/PVC膜材料拉伸性能的各向异性及破坏准则”，进行了不同偏轴角度下的单向拉伸试验，开始研究膜材料的剪切特性，结果表明拉剪混合型破坏模式下材料断裂强度难以预测。
陈务军等2016年在建筑材料学报发表的论文“P/G类建筑织物膜材双轴剪切试验及力学特性分析”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。
同时，高成军等2016年在实验力学杂志发表的论文“建筑织物膜材双轴剪切试验与分析”研究了建筑织物膜材的双轴剪切力学性能。
何世赞等2017年在复合材料学报发表的论文“浮空器蒙皮膜复合材料单轴拉伸力学性能及弹性常数”，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。
中国发明专利CN201710484390.8，公开日为2017年11月7日，公开了一种织物膜材双轴剪切测试方法，该专利虽然指出了通过所述方法可测定和表征织物膜材双轴剪切刚度和力学行为，但是该专利对正应力、剪应力取值没有明确工程和力学意义及选择合理的范围。
上述文献表明针对膜结构工程剪切弹性的双轴剪切测试方法还不完善，并且在剪应力和正应力水平控制方面缺乏工程应用和力学意义，因此未能准确揭示织物膜材的真实剪切力学参数，不能满足实际工程设计和分析应用技术需求。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，以准确测定和表征织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量。
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双轴剪切屈服点和剪切弹性模量的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量的方法，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°，所述十字型主轴包括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，定义织物膜材单调双轴剪切加载谱，利用双轴拉伸试验机对所述十字型双轴剪切试件实施所述织物膜材单调双轴剪切加载谱试验；
步骤3、根据实施所述织物膜材单调双轴剪切加载谱试验得到的剪应力剪应变曲线，由定义的非线性度限值η确定所述织物膜材双轴剪切屈服点τy和屈服应力；
步骤4、根据所述织物膜材双轴剪切屈服点τy，定义织物膜材低周循环双轴剪切加载谱，利用双轴拉伸试验机对所述十字型双轴剪切试件实施所述织物膜材低周循环双轴剪切加载谱试验；
步骤5、根据实施所述织物膜材低周循环双轴剪切加载谱试验得到的剪应力剪应变循环曲线，确定剪切弹性模量。
进一步地，在步骤1中，所述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，所述四个伸臂和所述夹持段分别被设置为对称分布在所述中芯区的上、下、左、右四个方向上，所述伸臂间直角倒圆角，所述中芯区被设置为正方形。
进一步地，在步骤2中定义织物膜材单调双轴剪切加载谱时，所述十字型试件经纬向正应力被设置为工程规范建议预应力σ0，单调双轴剪应力分别按逆时针和顺时针两次，通过施加于十字型双轴剪切试件的伸臂的拉力实现。
进一步地，在步骤3中，所述非线性度限值η根据双轴剪切非线性应变能和线性应变能定义。
进一步地，在步骤4中定义低周循环双轴剪切加载谱时，在织物膜材经纬向施加的拉应力为规程建议预应力值σ0，剪应力限值为剪切屈服点τy，并设置n次低周循环剪切，每个剪切循环包含顺时针和逆时针载荷，通过施加于十字型双轴剪切试件的伸臂的交替拉力实现。
进一步地，所述十字型双轴剪切试件的四个伸臂上分别设置有至少两道平行于伸臂的切缝。
进一步地，在步骤2中，施加于十字型双轴剪切试件的伸臂的拉力，先双轴同步加载，至十字型双轴剪切试件经纬正应力σ0，然后一个轴x继续加载，另一个轴y同步卸载，产生单调剪应力载荷，完成之后再反向进行一次单调剪切试验，此时x轴同步卸载，y轴继续加载。
进一步地，所述非线性度限值η被设置为5％。
进一步地，所述n次低周循环剪切被设置为3次。
进一步地，所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。
由此可见，在本发明的测试方法中，单调双轴剪切加载谱和低周循环双轴剪切加载谱是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，并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。
与现有技术相比，本发明的织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法明确了织物膜剪切屈服点定义和测量方法，并基于所述剪切屈服点定义加载谱，测定和计算剪切弹性模量，有清晰的工程和力学意义，便于工程设计与分析应用。
本发明的方法可精确测定和表征织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量，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单调剪切加载谱；
图3是本发明的一个较佳实施例的双轴剪切屈服点确定方法；
图4是本发明的一个较佳实施例的织物膜材双轴低周循环剪切加载谱。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
为准确测定和表征织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量，本实施例提出了一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量的方法，具体包括如下步骤：
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，并且x轴和所述y轴相互垂直。
图1为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3，四个伸臂和对应的夹持段分别被设置为对称分布在中芯区的上、下、左、右四个方向上。
同时，十字型双轴剪切试件的四个伸臂上分别设置有至少两道平行于伸臂的切缝，本实施例中四个伸臂上分别设置有两道平行于伸臂的切缝4，并且伸臂间直角倒圆角。
图1中，织物膜材十字型双轴剪切试件总长为Ls，伸臂长为La，夹持段长为a，中芯区域是边长为w的正方形，平行切缝端距中芯边d，伸臂间所倒圆角的半径为R，上述参数可根据织物膜材特性和试验需要设计。
优选尺寸为：w＝160mm，a＝40mm，d＝15mm，La＝160mm，R＝15mm，Ls＝560mm。
具体的工作原理是：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。为了便于描述剪切加载谱，将图1中的两个十字型主轴分别定义为x轴和y轴，并且x轴和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，定义织物膜材单调双轴剪切加载谱，具体如图2所示，利用双轴拉伸试验机对所述十字型双轴剪切试件实施所述织物膜材单调双轴剪切加载谱试验。
其中，步骤2中，在织物膜材经纬向施加的拉应力为规程建议预应力值σ0，单调双轴剪应力分别按逆时针和顺时针两次，通过施加于十字型双轴剪切试件的伸臂的拉力实现。施加于十字型双轴剪切试件的伸臂的拉力，先双轴同步加载，至十字型双轴剪切试件经纬正应力σ0，然后一个轴x继续加载，另一个轴y同步卸载，产生单调剪应力载荷，完成之后再反向进行一次单调剪切试验，此时x轴同步卸载，y轴继续加载。
具体地，当在织物膜材x和y方向的应力分别为σx和σy
此时，织物膜材的双轴剪应力：
Figure BDA0001678682270000051
织物膜材经纬向应力为：
Figure BDA0001678682270000052
步骤3、根据实施所述织物膜材单调双轴剪切加载谱试验得到的剪应力剪应变曲线，具体如图3所示，由定义的非线性度限值η确定所述织物膜材双轴剪切屈服点τy和屈服应力。
在步骤3中，织物膜材双轴剪切屈服点τy是根据图3中的剪应力剪应变曲线确定。具体是：首先，由积分计算任意剪应力τt的非线性应变能W1，并计算剪应力τt点的线性应变能W2；其次，当非线性度η根据双轴剪切非线性应变能W1和线性应变能W2定义，具体可表示为η＝(W1-W2)/W1时，对应的剪应力值即为剪应力屈服点τy。
其中，非线性应变能W1可以表示为：
Figure BDA0001678682270000053
线性应变能W2可以表示为：
W2＝τtγ/2
应变能差为：
ΔW＝W1-W2
在较佳实施例中，当非线性度限值η＝5％时，双轴剪应力作为织物膜材双轴剪切屈服点。
步骤4、根据所述织物膜材双轴剪切屈服点τy，定义织物膜材低周循环双轴剪切加载谱，如图4所示，利用双轴拉伸试验机对所述十字型双轴剪切试件实施所述织物膜材低周循环双轴剪切加载谱试验。
其中，在步骤4中定义低周循环双轴剪切加载谱时，在织物膜材经纬向施加的拉应力为规程建议预应力值σ0，剪应力限值为剪切屈服点τy，并设置n次低周循环剪切，周期为t，每个剪切循环包含顺时针和逆时针载荷，通过施加于十字型双轴剪切试件的伸臂的交替拉力实现。
步骤5、根据实施所述织物膜材低周循环双轴剪切加载谱试验得到的剪应力剪应变循环曲线，确定剪切弹性模量G。
在较佳实施例中，低周循环剪切次数为3，织物膜材双轴剪切弹性模量G取第二和第三剪应力剪应变曲线低点、高点连线斜率均值。
另外，本实施例选取的织物膜材无明显纬斜、弓曲、砂眼等缺陷，采用手工或者自动裁切机进行裁切获得，且距离膜材幅宽边缘不小于10cm、距膜材端部不小于10cm。
由此可见，在本实施例提出的测试方法中，单调双轴剪切加载谱和低周循环双轴剪切加载谱是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，并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。
与现有技术相比，本实施例所提出的织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法明确了织物膜剪切屈服点定义和测量方法，并基于所述剪切屈服点定义加载谱，测定和计算剪切弹性模量，有清晰的工程和力学意义，便于工程设计与分析应用。
该测试方法可精确测定和表征织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量，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做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的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 (10)

1.一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，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°，所述十字型主轴包括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，定义织物膜材单调双轴剪切加载谱，利用双轴拉伸试验机对所述十字型双轴剪切试件实施所述织物膜材单调双轴剪切加载谱试验；
步骤3、根据实施所述织物膜材单调双轴剪切加载谱试验得到的剪应力剪应变曲线，由定义的非线性度限值η确定所述织物膜材双轴剪切屈服点τy和屈服应力；
步骤4、根据所述织物膜材双轴剪切屈服点τy，定义织物膜材低周循环双轴剪切加载谱，利用双轴拉伸试验机对所述十字型双轴剪切试件实施所述织物膜材低周循环双轴剪切加载谱试验；
步骤5、根据实施所述织物膜材低周循环双轴剪切加载谱试验得到的剪应力剪应变循环曲线，确定剪切弹性模量。
2.如权利要求1所述的一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，其特征在于，在步骤1中，所述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，所述四个伸臂和所述夹持段分别被设置为对称分布在所述中芯区的上、下、左、右四个方向上，所述伸臂间直角倒圆角，所述中芯区被设置为正方形。
3.如权利要求1所述的一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，其特征在于，在步骤2中定义织物膜材单调双轴剪切加载谱时，十字型试件经纬向正应力被设置为工程规范建议预应力σ0，单调双轴剪应力分别按逆时针和顺时针两次，通过施加于十字型双轴剪切试件的伸臂的拉力实现。
4.如权利要求1所述的一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，其特征在于，在步骤3中，所述非线性度限值η根据双轴剪切非线性应变能和线性应变能定义。
5.如权利要求1所述的一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，其特征在于，在步骤4中定义低周循环双轴剪切加载谱时，在织物膜材经纬向施加的拉应力为规程建议预应力值σ0，剪应力限值为剪切屈服点τy，并设置n次低周循环剪切，每个剪切循环包含顺时针和逆时针载荷，通过施加于十字型双轴剪切试件的伸臂的交替拉力实现。
6.如权利要求2所述的一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，其特征在于，所述十字型双轴剪切试件的四个伸臂上分别设置有至少两道平行于伸臂的切缝。
7.如权利要求3所述的一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，其特征在于，在步骤2中，施加于十字型双轴剪切试件的伸臂的拉力，先双轴同步加载，至十字型双轴剪切试件经纬正应力σ0，然后一个轴x继续加载，另一个轴y同步卸载，产生单调剪应力载荷，完成之后再反向进行一次单调剪切试验，此时x轴同步卸载，y轴继续加载。
8.如权利要求4所述的一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，其特征在于，所述非线性度限值η被设置为5％。
9.如权利要求5所述的一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，其特征在于，所述n次低周循环剪切被设置为3次。
10.如权利要求6至9中任意一项所述一种织物膜材双轴剪切屈服点和剪切弹性模量测试方法，其特征在于，所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。
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