CN109163972A - 一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法 - Google Patents

一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，涉及织物膜材力学强度与实验技术领域，包括如下步骤：步骤1：建立织物膜材双轴拉伸强度准则；步骤2：通过试验的方法测定所述织物膜材双轴拉伸强度准则的相关系数；步骤3：根据步骤2的结果，确定完善的织物膜材双轴拉伸强度准则，绘制织物膜材双轴拉伸强度包络线；步骤4：根据上述结果判定织物膜材的双轴拉伸强度。本发明的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，不仅能够准确反映织物膜材双轴拉伸时的拉伸强度状况，为实际工程的设计和分析提供技术支撑，还具有运用简单，可靠性高的特点。

Description

一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法
技术领域
本发明涉及织物膜材力学强度与实验技术领域，尤其涉及一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法。
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、航空航天等工业领域。织物膜材由织物基布作为结构承力层、高分子聚合物薄膜或涂层作为功能层，织物基布是由高分子纤维经过纺纱再编织加工而成，功能层通过层压复合或涂覆。
织物膜材的拉伸强度是其工程应用的重要基础参数，目前工程应用方面的国内外行业标准等都是采用比较简单的单轴拉伸测定方法测定织物膜材的拉伸强度，如ASTM4851、ISO1421、FZ/T64014等。但是，织物膜材在工作受力状态一般为双向张力状态，研究和应用表明双轴拉伸力学特性与单轴拉伸具有显著的差异。
陈务军等著的“一种双轴拉伸强度试验十字型试件及其制作方法”(CN107271275A)提出了一种能够测定和表征织物材料双轴拉伸强度的局部双层试件设计、制作和测试方法。陈务军等著的“双十字型复合织物膜材双轴拉伸强度试件及其制作方法”(CN107340184A)提出了一种能够测定织物材料双轴拉伸强度的双十字复合试件设计、制作和测试方法。石泰百等著的“Biaxial strength determination of woven fabriccomposite for airship structural envelope based on novel specimens”(Compositestructures,2017，10(184):1126-1136)介绍了一种可以用于飞艇蒙皮材料双轴强度试验的新型试件及试验分析。上述文献均对织物膜材的双轴拉伸强度试验方法，以及对强度特性或准则进行探索，但均未建立合理的针对织物膜材双轴拉伸强度的判定方法。
“膜结构技术规程”(CECS158-2015)规定了采用双轴拉伸试验测试方法测试建筑P/G类膜材弹性常数。“Tensile Membrane Structures”(ASCE/SEI 55-16)规定了采用双轴拉伸测试涂层织物膜材的拉伸弹性常数和应变补偿方法。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，定制了加载谱和试验方法。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，2016，03:539-543)研究了两类典型建筑织物膜材的双轴剪切试验方法及膜材的剪切力学性能。上述文献涉及了双轴拉伸测试织物膜材在低载荷下的力学行为，对双轴拉伸弹性常数、双轴剪切弹性常数等进行了一定的研究，但未涉及针对织物膜材双轴拉伸强度的判定方法。
双轴拉伸强度试验目前多应用于刚性材料的双轴拉伸强度测试；基于刚性复合材料的双轴拉伸试验，若干复合受力强度准则被提出和验证，通过双轴拉伸测试，刚性复合材料的双向拉伸性能取得了重要的研究进展。任家陶、李冈陵、豆志武著的“双向拉伸试验的进展与钛板双向拉伸的强化研究”(实验力学，2001，02:196-206)进行了金属材料的双轴拉伸试验，并对钛板的双向拉伸力学性能进行了研究。鲁帅著的“双轴拉伸原位力学测试装置的设计分析与试验研究”(吉林大学硕士学位论文，2015)研究了双轴拉伸力学试验装置，并对多种金属材料的双向应力下的力学性能开展试验研究。上述文献涉及金属材料双轴拉伸试验方法及力学性能研究，均未涉及针对织物膜材双轴拉伸强度的判定方法。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，不仅能够准确地反映织物膜材双轴拉伸时的拉伸强度状况，为重大实际工程的设计和分析提供技术支撑，还具有运用简单，可靠性高的优点。
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怎样提供一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，不仅能够准确地反映织物膜材双轴拉伸时的拉伸强度状况，为重大实际工程的设计和分析提供技术支撑，还具有运用简单，可靠性高的优点。
为实现上述目的，本发明提供了一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，包括如下步骤：
步骤1：建立织物膜材双轴拉伸强度准则；
步骤2：通过试验的方法测定所述织物膜材双轴拉伸强度准则的相关系数；
步骤3：根据所述步骤2的结果，确定完善的织物膜材双轴拉伸强度准则，绘制织物膜材双轴拉伸强度包络线；
步骤4：根据所述完善的织物膜材双轴拉伸强度准则和所述织物膜材双轴拉伸强度包络线判定织物膜材的双轴拉伸强度。
进一步地，所述步骤1中的所述织物膜材双轴拉伸强度准则包括经向应力二次项、纬向应力二次项、经纬应力相乘项、经向应力一次项、纬向应力一次项；所述经向应力二次项、所述纬向应力二次项、所述经纬应力相乘项、所述经向应力一次项和所述纬向应力一次项之和为1。
进一步地，所述步骤1中的所述织物膜材双轴拉伸强度准则的表达式如下：
式中：δx为织物膜材双轴受拉状态下的经向应力，δy为织物膜材双轴受拉状态下的纬向应力，X为织物膜材经向单轴拉伸强度，Y为织物膜材纬向单轴拉伸强度，α为第一相关系数，β为第二相关系数，γ为第三相关系数，为第四相关系数，ω为第五相关系数。
进一步地，所述步骤2包括如下几个步骤：
步骤2.1：选择无缺陷织物膜材作为被测样品，利用所述织物膜材样品制作双十字型被测试件，所述双十字型被测试件按统一标准和规格制作；确定用于测试试验的经向应力与纬向应力之比的应力比组合；
步骤2.2：结合四轴联动双轴拉伸试验机，将所述双十字型被测试件的四臂连接所述试验机夹具，首先预紧，之后按设定的应力比，以一定的加载方式对所述双十字型被测试件进行双轴拉伸，直至破坏，分别记录经向和纬向的拉伸载荷，并计算织物膜材经向和纬向的破坏应力；
步骤2.3：按照步骤2.1中所确定的所述应力比组合的其他组合，重复步骤2.2，直到完成所有应力比组合的测试试验；
步骤2.4：结合步骤2.2和步骤2.3的结果，以及步骤1中建立的所述织物膜材双轴拉伸强度准则，求解出所述织物膜材双轴拉伸强度准则中的相关性系数。
进一步地，所述步骤2.1中所述双十字型被测试件为正交对称试件，所述双十字型被测试件包括拉伸臂、中芯测试区、过渡区；所述过渡区连接中芯测试区与拉伸臂，所述过渡区设置于所述中芯测试区外侧四周；所述拉伸臂数量为4，所述拉伸臂成十字型设置于所述中芯测试区四周；所述中芯测试区的织物膜材的经向和纬向与所述双十字型被测试件的经向和纬向的主轴平行；所述双十字型被测试件为中芯测试区为单层、拉伸臂和过渡区为双层的局部双层试件；所述相邻拉伸臂间设置有圆角。
进一步地，所述拉伸臂设置有多道切缝，所述切缝平行于所述拉伸臂的长度方向，所述切缝的数量依据所述拉伸臂的宽度选取，所述切缝等距设置在所述拉伸臂在宽度方向上。
进一步地，所述每条拉伸臂设置的切缝数量为1至5。
进一步地，所述应力比组合被构造为能反映织物膜材工作时的各种应力工况；所述应力比组合的数量不少于5组。
进一步地，所述应力比组合可确定为3:1、2:1、1:1、1:2、1:3。
进一步地，所述步骤2.2中所述加载方式为双轴常速单调拉伸。
进一步地，所述织物膜材双轴拉伸强度准则中的相关性系数的求解方法为依据所述步骤2.2和所述步骤2.3的结果，通过解方程组的方法或最小二乘法求得。
进一步地，所述步骤3中确定所述完善的织物膜材双轴拉伸强度准则的方法为，将所述步骤2中确定的各个相关系数直接带入所述步骤1中的所述织物膜材双轴拉伸强度准则，得到所述完善的织物膜材双轴拉伸强度准则。
进一步地，所述步骤3中的所述织物膜材双轴拉伸强度的包络线以织物膜材在双轴受拉状态下的所述经向应力和所述纬向应力为x轴和y轴，以所述完善的织物膜材双轴拉伸强度准则为曲线绘制而成。
与现有技术相比，通过本发明的实施，达到了以下明显的技术效果：
1、本发明提供的一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，能够准确地反映织物膜材双轴拉伸时的拉伸强度状况，有效地测定和表征织物膜材的双轴拉伸强度，可以为重大实际工程的设计和分析提供技术支撑。
2、本发明提供的一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法将材料力学理论与实际试验相结合，具有使用简单，可靠性高的特点，有利于织物膜材的使用和推广。
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一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例的一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法的双轴拉伸强度包络线图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，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。
实施例1
如图1所示，是本发明提供的一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法的较佳实施例，包括如下步骤：
步骤1：建立织物膜材双轴拉伸强度准则；
步骤2：通过试验的方法测定织物膜材双轴拉伸强度准则的相关系数；
步骤3：根据步骤2的结果，确定完善的织物膜材双轴拉伸强度准则，绘制织物膜材双轴拉伸强度包络线；
步骤4：根据完善的织物膜材双轴拉伸强度准则和织物膜材双轴拉伸强度包络线判定织物膜材的双轴拉伸强度。
步骤1中的织物膜材双轴拉伸强度准则包括经向应力二次项、纬向应力二次项、经纬应力相乘项、经向应力一次项、纬向应力一次项；经向应力二次项、纬向应力二次项、经纬应力相乘项、经向应力一次项和纬向应力一次项之和为1；具体表达式如下：
式中：δx为织物膜材双轴受拉状态下的经向应力，δy为织物膜材双轴受拉状态下的纬向应力，X为织物膜材经向单轴拉伸强度，Y为织物膜材纬向单轴拉伸强度，α为第一相关系数，β为第二相关系数，γ为第三相关系数，为第四相关系数，ω为第五相关系数。
步骤2包括如下几个步骤：
步骤2.1：选择无缺陷织物膜材作为被测样品，利用织物膜材样品制作双十字型被测试件，双十字型被测试件按统一标准和规格制作，
双十字型被测试件为正交对称试件，双十字型被测试件包括拉伸臂、中芯测试区、过渡区；过渡区连接中芯测试区与拉伸臂，过渡区设置于中芯测试区外侧四周；拉伸臂数量为4，拉伸臂成十字型设置于中芯测试区四周；中芯测试区的织物膜材的经向和纬向与双十字型被测试件的经向和纬向的主轴平行；双十字型被测试件为中芯测试区为单层、拉伸臂和过渡区为双层的局部双层试件；相邻拉伸臂间设置有圆角；
每个拉伸臂设置有2道切缝，切缝平行于拉伸臂的长度方向，切缝在拉伸臂的宽度方向上等分。选择最能综合反映织物膜材工作时的各种应力工况的经向应力和纬向应力之比的应力比组合，根据本实施例测试的飞艇蒙皮材料，应力比组合确定为3:1、2:1、1:1、1:2、1:3。
步骤2.2：结合四轴联动双轴拉伸试验机，将双十字型被测试件的四臂连接试验机夹具，首先预紧，之后设定应力比为3:1，以双轴常速单调拉伸的加载方式对双十字型被测试件进行双轴拉伸，直至破坏，分别记录经向和纬向的拉伸载荷，并计算织物膜材经向和纬向的破坏应力；
步骤2.3：按照步骤2.1中所确定的应力比组合的其他组合：2:1、1:1、1:2、1:3，依次重复步骤2.2，直到完成所有应力比组合的测试试验；
步骤2.4：将步骤2.2和步骤2.3的结果代入步骤1中建立的织物膜材双轴拉伸强度准则，得到五元一次方程组，求解出织物膜材双轴拉伸强度准则中的第一相关系数、第二相关系数、第三相关系数、第四相关系数和第五相关系数。
步骤3中的完善的织物膜材双轴拉伸强度准则是通过将步骤2得到的各个相关系数带入到步骤1中的织物膜材双轴拉伸强度准则得到的，并依据得到的完善的织物膜材双轴拉伸强度准则以及步骤2中的测试试验的结果绘制织物膜材双轴拉伸强度包络线；如图2所示。
步骤4中运用得到的完善的织物膜材双轴拉伸强度准则和织物膜材双轴拉伸强度包络线判定织物膜材在不同双轴受力状况下的双轴拉伸强度，可以用于指导具体的工程项目设计。
本发明的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，不仅能够准确地反映织物膜材双轴拉伸时的拉伸强度状况，有效地测定和表征织物膜材的双轴拉伸强度，为重大实际工程的设计和分析提供有利技术支撑，还具有使用简单，可靠性高的特点，有利于织物膜材的使用和推广。
实施例2
在实施例1的基础上，在每条拉伸臂上设置有5道切缝，应力比组合为3.5:1、2.5:1、1.5:1、1:1、1:1.5、1:2.5、1:3.5。在步骤2.4中，根据步骤2.2和步骤2.3的测试结果以及步骤1中建立的织物膜材双轴拉伸强度准则，通过最小二乘法，求得织物膜材双轴拉伸强度准则中的第一相关系数、第二相关系数、第三相关系数、第四相关系数和第五相关系数。
实施例3
在实施例2的基础上，每条拉伸臂上设置的切缝数量为1。
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 (10)

1.一种织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：建立织物膜材双轴拉伸强度准则；
步骤2：通过试验的方法测定所述织物膜材双轴拉伸强度准则的相关系数；
步骤3：根据所述步骤2的结果，确定完善的织物膜材双轴拉伸强度准则，绘制织物膜材双轴拉伸强度包络线；
步骤4：根据所述完善的织物膜材双轴拉伸强度准则和所述织物膜材双轴拉伸强度包络线判定织物膜材的双轴拉伸强度。
2.如权利要求1所述的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，所述步骤1中的所述织物膜材双轴拉伸强度准则包括经向应力二次项、纬向应力二次项、经纬应力相乘项、经向应力一次项、纬向应力一次项；所述经向应力二次项、所述纬向应力二次项、所述经纬应力相乘项、所述经向应力一次项和所述纬向应力一次项之和为1。
3.如权利要求2所述的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，所述步骤1中的所述织物膜材双轴拉伸强度准则的表达式如下：
式中：δx为织物膜材双轴受拉状态下的经向应力，δy为织物膜材双轴受拉状态下的纬向应力，X为织物膜材经向单轴拉伸强度，Y为织物膜材纬向单轴拉伸强度，α为第一相关系数，β为第二相关系数，γ为第三相关系数，为第四相关系数，ω为第五相关系数。
4.如权利要求1所述的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，所述步骤2包括如下几个步骤：
步骤2.1：选择无缺陷织物膜材作为被测样品，利用所述织物膜材样品制作双十字型被测试件，所述双十字型被测试件按统一标准和规格制作；确定用于测试试验的经向应力与纬向应力之比的应力比组合；
步骤2.2：结合四轴联动双轴拉伸试验机，将所述双十字型被测试件的四臂连接所述试验机夹具，首先预紧，之后按设定的应力比，以一定的加载方式对所述双十字型被测试件进行双轴拉伸，直至破坏，分别记录经向和纬向的拉伸载荷，并计算织物膜材经向和纬向的破坏应力；
步骤2.3：按照步骤2.1中所确定的所述应力比组合的其他组合，重复步骤2.2，直到完成所有应力比组合的测试试验；
步骤2.4：结合步骤2.2和步骤2.3的结果，以及步骤1中建立的所述织物膜材双轴拉伸强度准则，求解出所述织物膜材双轴拉伸强度准则中的相关性系数。
5.如权利要求4所述的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，所述步骤2.1中所述双十字型被测试件为正交对称试件，所述双十字型被测试件包括拉伸臂、中芯测试区、过渡区；所述过渡区连接中芯测试区与拉伸臂，所述过渡区设置于所述中芯测试区外侧四周；所述拉伸臂数量为4，所述拉伸臂成十字形设置于所述中芯测试区四周；所述中芯测试区的织物膜材的经向和纬向与所述双十字型被测试件的经向和纬向的主轴平行；所述双十字型被测试件为中芯测试区为单层、拉伸臂和过渡区为双层的局部双层试件；所述相邻拉伸臂间设置有圆角。
6.如权利要求5所述的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，所述拉伸臂设置有多道切缝，所述切缝平行于所述拉伸臂的长度方向，所述切缝等距设置在所述拉伸臂在宽度方向上。
7.如权利要求4所述的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，所述应力比组合被构造为能反映织物膜材工作时的各种应力工况；所述应力比组合的数量不少于5组。
8.如权利要求7所述的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，所述应力比组合为3:1、2:1、1:1、1:2、1:3。
9.如权利要求4所述的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，所述步骤2.2中的所述加载方式为双轴常速单调拉伸。
10.如权利要求4所述的织物膜材双轴拉伸强度的判定方法，其特征在于，所述织物膜材双轴拉伸强度准则中的相关性系数的求解方法为依据所述步骤2.2和所述步骤2.3的结果，通过解方程组的方法或最小二乘法求得。
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