CN110208113A - 一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材剪切性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材剪切性能测试方法。基于双轴测试方法，整合膜材料偏转角度及经纬向应力比例参数，实现测试柔性膜材处于拉、剪应力共存的耦合应力状态；并可基于膜结构工程中膜面具体工况，设置不同剪切应力水平，实现剪切应力与剪切应变关联性分析；最后，基于材料力学理论的处理分析，得到柔性膜材在拉剪耦合应力下剪切刚度。该测试方法在应力稳定性、拉剪应力同步性、试验可操作性等方面优于现有的剪切试验方法，且可实现真实拉剪耦合应力状态下柔性膜材力学性能的测试，实现剪切应力与剪切应变关联性分析，有效弥补了现有柔性膜材剪切性能测试方法存在的不足。

Description

一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材剪切性能测试方法

技术领域

本发明涉及柔性膜材剪切性能测试领域，特别是一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材双向拉伸与剪切性能测试方法。

背景技术

柔性膜材是一种新兴的结构材料，主要有热塑性薄膜、涂层织物薄膜和层压织物薄膜等，具有透光性、轻质、高强度、耐久性、耐热性、绝缘性等优点，广泛应用于现代建筑结构领域和航空、航天等工业领域，如作为建筑膜结构、航空飞艇、超压气球、航天降落伞或软式着陆系统等的主要构成材料。然而，柔性膜材的力学性能较为复杂，尤其是剪切性能，不确定因素较多、尚无广为接受的测定方法。而剪切性能及相关的剪切模量等参数，柔性膜材的剪切模量对于结构变形及褶皱屈曲非常重要，其准确性关乎膜结构的结构精确设计及安全性评估。

膜材剪切力学性能的测量方法，主要有双向剪切试验法(Blum等，偏轴角度为45°)、T形剪切法(Vyso China等)、KES-F剪切试验法(Kawabata等)、图框法(MSAJ测试标准-JAPAN)等。上述测试方法所得剪切参数与实际工况下膜材料剪切参数存在误差，主要原因：一方面，试验膜材所处的应力状态与真实膜材的应力状态差距较大；实际工况下膜材往往处于拉、剪应力共存状态，拉伸应力状态(应力比例及拉伸应力水平)对于膜材剪切力学性能影响显著；另一方面，剪切应力与剪切应变存在关联性，剪切应力水平不同时剪切参数会存在差异。因此，有必要实现拉剪耦合应力状态及不同剪切应力水平下的剪切性能测试，以提高膜材料力学参数准确性和大型膜结构工程设计精度。

发明内容

本发明提供了一种膜材剪切力学性能及力学参数的测试方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材剪切性能测试方法，步骤如下：

第一步，确定膜材测试拉伸及剪切应力状态范围，依据实际工程中膜材所处应力状况，采用数值或实际测量方法，确定包括经纬向拉伸应力比例N范围、拉伸应力σ范围、剪切应力τ范围、预应力水平；依据上述应力范围适当扩大，确定膜材测试拉伸应力范围[σ₁,σ₂]、剪切应力范围[τ₁,τ₂]及应力比例范围[N₁,N₂]。

第二步，确定测试用膜材试件尺寸，将膜材料裁成标准十字形切缝试件，保证裁剪时每个伸臂端的裁剪方向与纤维方向成固定夹角α，试件沿悬臂中间做切缝处理，交叉角处采用圆弧处理，臂端部缠绕PE棒。

第三步，确定膜材测试模型纱线偏轴参数α，依据第一步应力比范围，由公式(1a)确定角度参数a；基于求取的角度参数a，根据公式(1b)求取偏轴参数α，求取α后可优选15°、30°、45°等整数角度，以利于膜材裁剪制作。

式中，a为角度参数，N＝σ_w/σ_f为膜材料经纬向应力比，N₂为应力比最大值；σ为应力，w、f分别表示经纬向；M＝σ_x/σ_y为试验双轴X、Y向加载应力比，M优选1/5～5/1之间常数。

第四步，确定X、Y向应力比例，基于第三步确定的膜材料偏轴角度α及第一步确定的经纬向应力比N范围，依据公式(2)求取X、Y向加载应力比M数值范围。进一步依据双轴试验机双轴应力施加条件确定测试用X、Y向加载应力比M数值范围[M₁,M₂]。

第五步，确定X、Y向应力水平参数，基于第三步确定的膜材料偏轴角度α及第一步确定的经纬向拉伸应力范围[σ₁,σ₂]和剪切应力范围[τ₁,τ₂]，依据公式(3a,3b)求取X、Y向加载应力。进一步依据双轴试验机双轴应力施加条件、膜材预应力水平设置要求及第四步确定的加载应力比例M确定测试用X、Y向加载应力σ_x、σ_y，确定X、Y向加载应力水平及应力范围参数。

式中，σ₂≥σ_w、σ_f≥σ₁。

第六步，进行膜材料双轴拉剪试验，采用薄膜用双轴拉伸试验机，对膜材进行安装，保证安装时无应力引入；加载过程中同时在经warp、纬fill向及对角线方向进行位移测量，位移测量采用电子位移计量器，将插针牢固固定于位移计头尾处，按照事先做好的标记线插入膜材试件并固定，以此测量张拉过程中膜材试件上标记线的位移量。

第七步，预应力水平设置及不同应力比加载，预应力水平依据工程案例需要，设置二组及以上预应力水平；试验前先在XY向上施加预张力，并维持15-30min；以减弱或消除试验前膜材自身非弹性变形等缺陷对于试验精度的影响，预张力值根据试验的实际情况确定；采用力控制加载，XY向以恒定应力增量1kN/min施加张力，根据第六步方法，实现试件的若干组经纬向拉伸应力比测试，经纬向应力比例包含在第一步所确定应力比范围内，优选1:1、2:1、1:2、3:1、1:3等比例；加载至XY向应力范围最大值后立即卸载，卸载过程中保持和加载过程中相同的应力比例，当卸载到XY向应力范围最小值时立即加载，重复以上步骤3次以上。依次按照所有的预先确定的加载比例，完成加载。

第八步，加载不同剪应力水平，基于第七步，改变XY向加载应力，实现3组及以上剪应力水平下不同经纬向应力比例加载测试，剪应力水平依据第一步剪切应力τ范围确定，优选1kN/m～5kN/m；其中，剪应力公式见公式(4)。

第九步，剪切应力及工程剪应变的计算，剪切应力依据公式(4)确定；工程剪应变(γ)代表两主轴的夹角变化，其表达式可通过材料形变几何关系推导，见公式(5)：

式中，ε_f、ε_w分别表示纬fill、经warp向应变，ε_dia为对角线方向应变，由相应方向的变形Δ_f、Δ_w、Δ_dia确定，由第六步方法求得。

第十步，绘制剪应力-剪应变关系曲线、计算剪切模量，基于第九步所得剪应力及工程剪应变数值，绘制加载过程所得剪切应力-剪应变关系曲线；依据测试应力应变关系曲线，进行剪切模量的确定；确定方法可采用端点连线法，取最后一次循环的最低点与最高点连线，连线斜率即为剪切模量，计算公式见式(6)。针对第七步及第八步完成的多组应力比例及多组剪应力水平，计算求取所有组的最后一次循环的剪切模量，然后求取剪切模量平均值，此平均值即可用于大型膜结构工程设计与分析；

本发明与现有测试方法相比，其显著优点为：1)本发明基于双轴测试方法，整合膜材料偏转角度及经纬向应力比例参数，使得测试膜面处于拉、剪应力共存的耦合状态，膜材料力学响应贴近真实工程，可实现真实拉剪应力耦合状态下膜材料剪切参数测定。2)基于膜结构工程中膜面具体工况，设置不同剪切应力水平，可实现剪切应力与剪切应变关联性分析，有效提高剪切刚度的测试精确性与适用性。3)本发明测试采用的试件尺寸适中，易于裁剪，试验过程明确，加载制度更加符合模型试验的加载过程，可实现任意拉剪状态下材料力学性能的测试，且在应力稳定性、同步性、试验可操作性等方面优于现有的剪切试验方法，可准确把握膜材料在模型试验中的力学响应，在材料剪切参数的获取上更加精确。

附图说明

图1是十字形试件的尺寸图(mm)。

图2是十字形试件端部焊接示意图。

图3为双向拉剪耦合作用下材料中心区域剪切应变示意图。

图4是双向拉剪试验材料中心区域平面应力示意图。

图5膜结构工程案例-柔性飞艇及头锥数值分析示意图。

图6双轴剪切试验加载曲线及目标应力(α＝45°时)。

图7不同预应力水平及剪应力范围下膜材剪切应力-应变关系曲线。

图8是端点连线法详图。

附图标记说明：α-纬向纱线与X轴的夹角、θ-经纬向纱线夹角、τ-剪应力、γ-工程剪应变、ε_f-纬向(Fill)拉伸应变、ε_w-经向(Warp)拉伸应变、ε_dia-对角线应变、σ_x-膜材所受沿X方向拉伸应力值、σ_y-膜材所受沿Y方向拉伸应力值、σ_w-膜材经向所受应力、σ_f-村纬向所受应力。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明一种膜材剪切力学性能及力学参数的测试方法，可应用于热塑性高分子薄膜、涂层织物薄膜和层压织物薄膜等膜材的剪切力学性能及剪切力学参数的测定，获得精确可靠的剪切力学性能及剪切力学参数。按如下操作步骤来具体实施：

第一步，确定膜材测试拉伸及剪切应力状态范围，依据实际工程案例-飞艇膜结构头锥部膜面所处应力状况，采用数值方法(图5)，确定包括测试用经纬向拉伸应力比例N范围为[2/3,3/2]、拉伸应力σ范围为[1kN/m,7kN/m]、剪切应力τ范围为[0,3kN/m]。

第二步，确定膜材测试模型尺寸，将膜材料裁成标准十字形切缝试件(图1)，保证裁剪时每个伸臂端的裁剪方向与纤维方向成固定夹角α，试件沿悬臂中间做切缝处理，交叉角处采用圆弧处理，臂端部缠绕PE棒(图2)。

第三步，确定膜材测试模型纱线偏轴参数α，依据第一步应力比范围，由公式(1a)确定角度参数a；基于求取的角度参数a，根据公式(1b)求取偏轴参数α，依据计算α宜取范围为[15°,75°]，取15\30\45°三偏轴角度进行测试，案例选择45°情况进行计算。

第四步，确定X、Y向应力比例及应力水平参数，基于第三步案例所确定的膜材料偏轴角度α(45°)及第一步确定的经纬向应力比N范围，依据公式(2)求取X、Y向加载应力比M数值为-1。

第五步，确定X、Y向应力水平参数，基于第三步确定的案例偏轴角度α＝45°及第一步确定的经纬向拉伸应力范围[1kN/m,7kN/m]和剪切应力范围[0,3kN/m]，依据公式(3a,3b)求取X、Y向加载应力。依据双轴试验机双轴应力施加条件、膜材预应力水平设置要求及第四步确定的加载应力比例M确定测试用X、Y向加载应力σ_x、σ_y，确定X、Y向加载应力水平及应力选择具体见表1，双轴剪切试验加载曲线及目标应力(α＝45°)示意见图6。

表1双轴拉剪试验加载制度(kN/m)

第六步，进行膜材料双轴拉剪试验，采用薄膜用双轴拉伸试验机，对膜材进行安装，保证安装时无应力引入；加载过程中同时在经(warp)、纬(fill)向及对角线方向进行位移测量，位移测量采用电子位移计量器，将插针牢固固定于位移计头尾处，按照事先做好的标记线插入膜材试件并固定，以此测量张拉过程中膜材试件上标记线的位移量。

第七步，预应力水平及不同应力比加载，预应力水平关乎膜结构刚度及结构稳定性，依据工程案例需要，设置4.25、5.35、6.25kN/m(表1)三组预应力水平；试验前先在XY向上施加l00N的预张力，并维持15min；采用力控制加载，XY向以恒定应力增量1kN/min施加张力，根据第六步方法，实现试件经、纬向拉伸应力比1:1测试；加载至XY向范围最大应力(见表1)后立即卸载。当卸载到荷载范围最小应力时立即加载。重复以上步骤3次及以上。依次按照所有的预先确定的加载比例，完成加载。

第八步，不同剪应力水平下加载，基于第七步，改变XY向加载应力，实现3组以上剪应力水平下不同经纬向应力比例加载测试，剪应力水平依据第一步剪切应力τ范围确定，案例选择0.5、1、2、3kN/m，见表1；其剪应力计算采用公式(4)。

第九步，剪切应力及工程剪应变的计算，剪切应力依据公式(4)确定；工程剪应变(γ)代表两主轴的夹角变化，采用公式(5)计算。计算所得剪应力及剪应变数据(第三循环)见图7，数据共三组预应力水平及四组剪应力范围。

第十步，绘制剪应力-剪应变关系曲线、计算剪切模量，基于第九步所得剪应力及工程剪应变数值，绘制加载过程所得剪切应力-剪应变关系曲线(见图7)；依据测试应力应变关系曲线，进行剪切模量的确定；确定方法采用端点连线法(图8)，取最后一次循环的最低点与最高点连线，连线斜率即为剪切模量。案例所得剪切模量见表2。可进一步求取剪切模量平均值(9.11kN/m)，此平均值用于本案例飞艇膜结构头锥部设计与计算分析，与实际试验对照验证了本发明所提剪切模量测试方法的精确性及适用性。

表2不同应力状态下第三次循环的剪切模量(kN/m)

本发明解决了真实拉剪耦合应力状态下柔性膜材剪切性能测试问题，并且实现剪切应力与剪切应变关联性分析，有效弥补了现有柔性膜材剪切性能测试方法存在的不足；该测试方法可应用于热塑性高分子薄膜、涂层织物薄膜和压层织物薄膜等膜材的剪切力学性能及剪切力学参数的测定，获得精确可靠的剪切力学性能及剪切力学参数。

Claims (7)

1.一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材剪切性能测试方法，其特征在于该方法包括：将膜材裁成标准十字形切缝试件之后，对试件进行多经纬向拉伸及剪切应力状态下的拉伸试验，使材料受到拉、剪应力的耦合作用，得出材料在双轴拉剪耦合应力状态下的剪切参数。

2.根据权利要求1所述的考虑拉剪耦合效应的柔性膜材剪切性能测试方法，其特征在于具体步骤如下：

第一步，确定膜材测试拉伸及剪切应力状态范围；依据实际工程中膜材所处应力状况，采用数值或实际测量方法，确定包括经纬向拉伸应力比例N范围、拉伸应力σ范围、剪切应力τ范围、预应力水平，依据上述应力范围进行扩大，确定膜材测试拉伸应力范围[σ₁,σ₂]、剪切应力范围[τ₁,τ₂]及应力比例范围[N₁,N₂]；

第二步，确定柔性膜材测试模型尺寸；将膜材料裁成标准十字形切缝试件，保证裁剪时每个伸臂端的裁剪方向与纤维方向成固定夹角，试件沿悬臂中间做切缝处理，交叉角处采用圆弧处理，臂端部缠绕PE棒；

第三步，确定膜材测试模型纱线偏轴参数；依据第一步应力比范围，利用公式(1a)确定角度参数a；基于求取的角度参数a，根据公式(1b)求取偏轴参数α；

式中，a为角度参数，N＝σ_w/σ_f为膜材料经纬向应力比，N₂为应力比最大值；σ为应力，w、f分别表示经纬向；M＝σ_x/σ_y为试验双轴X、Y向加载应力比，M为1/5～5/1之间常数；

第四步，确定X、Y向应力比例；基于第三步确定的膜材料偏轴角度α及第一步确定的经纬向应力比N范围，依据公式(2)求取X、Y向加载应力比M数值范围[M₁,M₂]；

第五步，确定X、Y向应力水平参数；依据第四步确定的经纬向应力比例、经纬向应力加载制度及试验需求，依据公式(3a)(3b)求取X、Y向加载应力，确定X、Y向加载应力水平及应力范围参数；

式中，σ₂≥σ_w、σ_f≥σ₁；

第六步，进行膜材料双轴拉剪试验，采用薄膜用双轴拉伸试验机对膜材进行安装，保证安装时无应力引入；加载过程中同时在经、纬向及对角线方向进行位移测量；

第七步，预应力水平设置及不同应力比加载；依据工程案例需要，设置二组及以上预应力水平；试验前先在XY向上同步施加预张力，并维持15～30min，采用力控制加载，XY向以恒定应力增量施加张力，根据第六步方法实现试件的若干组经纬向拉伸应力比测试；加载至XY向范围最大应力后立即卸载，卸载过程中保持和加载过程中相同的应力比例，当卸载到最小值时立即加载，重复以上步骤3次以上；依次按照所有预先确定的加载比例，完成加载；

第八步，加载不同剪应力水平；依据第一步剪切应力τ范围确定剪应力水平，基于第七步改变XY向加载应力，实现3组及以上剪应力水平下不同经纬向应力比例加载测试，剪切应力依据材料力学公式(4)求得；

第九步，剪切应力及工程剪应变的计算；依据第八步确定剪切应力，通过材料形变几何关系推导求出工程剪应变γ，见公式(5)

式中，ε_f、ε_w分别表示纬Fill、经Warp向应变，ε_dia为对角线方向应变，由相应方向的变形位移Δ_f、Δ_w、Δ_dia确定，由第六步方法求得；

第十步，绘制剪应力-剪应变关系曲线、计算剪切模量；基于第九步所得剪应力及工程剪应变，绘制加载过程所得剪切应力-剪应变关系曲线；依据测试应力应变关系曲线，进行剪切模量的确定；求取测试不同组的最后一次循环的剪切模量平均值，作为柔性膜材剪切模量。

3.如权利要求1所述的适用于柔性膜材双向拉剪性能测试方法，其特征在于：第二步中所述柔性膜材测试模型裁剪与纤维方向成固定夹角，该夹角非90或0°。

4.如权利要求1所述的适用于柔性膜材双向拉剪性能测试方法，其特征在于：第六步中所述膜材料双轴拉剪试验，采用薄膜用双轴拉伸试验机，加载过程中同时在经Warp、纬Fill向及对角线方向进行位移测量，可实现经纬形变分析。

5.如权利要求1所述的适用于柔性膜材双向拉剪性能测试方法，其特征在于：第七步中所述经纬向预应力水平及应力比依据工程实际需求定制。

6.如权利要求1所述的适用于柔性膜材双向拉剪性能测试方法，其特征在于：第八、九步中所述剪切应力水平依据工程实际需求设置，工程剪切应变采用经、纬向及对角线方向应变计算得到。

7.如权利要求1所述的适用于柔性膜材双向拉剪性能测试方法，其特征在于：第十步所述由剪应力-剪应变关系曲线计算剪切模量，可选择区段、计算方法依据需求确定。