CN110765646A - 一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法 - Google Patents

Abstract

一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法，它属于织物膜材撕裂性能测试与分析领域。本发明解决了现有的织物膜材撕裂剩余强度预测方法多为经验公式，且严重依赖数据拟合，导致对织物膜材撕裂剩余强度预测的准确率低的问题。本发明能够准确预测随着中心切缝尺寸从零开始增大时，织物膜材从强度破坏过渡到准脆性破坏、最终过渡为线弹性断裂时的撕裂剩余强度演化规律，具有坚实的理论依据，很好地反映了实际情况。而且本发明方法形式简洁明了，各参数力学概念明确，十分便于工程应用。本发明可以应用于织物膜材撕裂剩余强度的预测。

Description

一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法

技术领域

本发明属于织物膜材撕裂性能测试与分析领域，具体涉及一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法。

背景技术

织物膜材是一种由纱线编织成的承力基层、高分子涂料组成的涂层及面层构成的纺织复合材料，由于其轻质高强的力学性能，广泛应用于土木建筑及软式飞艇领域。

在膜结构施工和服役过程中，由于膜材老化或尖利物刺破等因素，不可避免会引入裂纹或孔隙等缺陷。作为一种预张力结构，由于膜面始终处于双向张拉状态，只要缺陷邻域附近的应力集中水平足以使裂缝发生扩展，局部裂缝就会迅速扩展并造成灾难性破坏，撕裂破坏是膜结构的主要破坏形式之一。因此，抗撕裂性能是评定膜材力学性能的一个至关重要的指标。

目前的膜结构设计规范中只对抗拉破坏做了规定，并未对撕裂破坏作明文规定。现有的研究中，多采用中心切缝撕裂试验来评定膜材的撕裂性能。通过预制不同长度的中心切缝，可以由拉伸试验获得撕裂剩余强度随初始切缝尺寸的变化关系。针对建筑膜材撕裂剩余强度预测理论主要分为两类：一是基于应力场理论的剩余强度预测模型；二是基于断裂力学的剩余强度预测模型。

基于应力场理论的剩余强度预测模型需要假定切缝尖端的应力分布规律，当裂纹尖端第一根纱线应力达到拉伸强度f_t时发生撕裂破坏，进而从应力的角度计算撕裂剩余强度。主要包括点应力模型、平均应力模型、指数型应力场模型、Thiele经验公式。这些模型的共同特点是需要假设应力分布，因而十分依赖于参数拟合，是一种经验模型。并且，对于含裂纹的结构，断裂力学理论已指明强度准则不适用。

基于断裂力学的剩余强度预测模型以经典线弹性断裂理论为基础，以断裂韧度K_IC表征材料抵抗裂纹扩展的能力，当裂纹尖端应力强度因子达到断裂韧度时裂纹扩展。然而，线弹性断裂力学理论只适用于初始切缝尺寸远大于裂尖塑性区尺寸的情形。而对于建筑织物膜材，通常裂尖塑性区较大，经典的线弹性断裂力学理论不适用，适用范围有限。

综上所述，现有的织物膜材撕裂剩余强度预测方法多为经验公式，严重依赖参数拟合，且适用范围有限，导致对织物膜材撕裂剩余强度预测的准确率较低。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的织物膜材撕裂剩余强度预测方法多为经验公式，且严重依赖数据拟合，导致对织物膜材撕裂剩余强度预测的准确率低的问题，而提出了一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立织物膜材撕裂剩余强度预测模型；

步骤二、制备带有中心切缝的拉伸试件，分别获取不同初始切缝长度下，织物膜材撕裂剩余强度σ_N；

步骤三、将步骤二得到的撕裂剩余强度σ_N与初始切缝长度进行线性拟合，得到裂纹尖端损伤区尺寸a^*；

步骤四、将织物膜材拉伸强度项f_t和裂纹尖端损伤区尺寸a^*代入步骤一建立的撕裂剩余强度预测模型，得到织物膜材撕裂剩余强度演化曲线；

根据获得的织物膜材撕裂剩余强度演化曲线，进行织物膜材撕裂剩余强度的预测。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法，本发明能够准确预测随着中心切缝尺寸从零开始增大时，织物膜材从强度破坏过渡到准脆性破坏、最终过渡为线弹性断裂时的撕裂剩余强度演化规律，具有坚实的理论依据，很好地反映了实际情况。

而且本发明方法形式简洁明了，各参数力学概念明确，十分便于工程应用。避免了传统方法多为经验方法，待定参数多且严重依赖数据拟合的缺点，提高了织物膜材撕裂剩余强度预测的准确率。

附图说明

图1是本发明的一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法的流程图；

图2是本发明的一个较佳实例的撕裂剩余强度模型示意图；

图3是本发明的一个较佳实例的中心切缝撕裂试件尺寸示意图；

其中：(a)为正视图，(b)为侧视图；

图4是本发明的一个较佳实例的试验参数线性拟合图；

图5是本发明的一个较佳实例的预测的撕裂剩余强度演化曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立织物膜材撕裂剩余强度预测模型；

步骤二、进行单轴中心切缝撕裂试验。制备带有中心切缝的拉伸试件，分别获取不同初始切缝长度下，织物膜材撕裂剩余强度σ_N；

步骤三、将步骤二得到的撕裂剩余强度σ_N与初始切缝长度进行线性拟合，得到裂纹尖端损伤区尺寸a^*；

步骤四、将织物膜材拉伸强度项f_t和裂纹尖端损伤区尺寸a^*代入步骤一建立的撕裂剩余强度预测模型，得到织物膜材撕裂剩余强度演化曲线；

根据获得的织物膜材撕裂剩余强度演化曲线，进行织物膜材撕裂剩余强度的预测。

步骤一中提出的撕裂剩余强度模型示意图如图2所示，它表明了随着初始中心切缝尺寸的增大，织物膜材有3种破坏模式：(1)当切缝长度2a很小时，此时试件的破坏受强度f_t控制，即σ_N＝f_t时试件破坏；(2)当切缝长度2a较大，以至于裂纹尖端塑性区长度a^*＜＜a时，线弹性断裂力学假设成立，此时试件的破坏受断裂韧度K_IC控制，即

时试件破坏；(3)当切缝长度2a与裂纹尖端塑性区长度a^*在同一量级时，此时试件的破坏为弹塑性断裂(也称准脆性断裂)，试件的破坏受强度f_t和断裂韧度K_IC共同控制。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中，建立的织物膜材撕裂剩余强度预测模型的表达式为：

式中：σ_N为织物膜材撕裂剩余强度，f_t为拉伸强度项，a_e为等效初始切缝长度，a^*为裂纹尖端损伤区尺寸。

其中，a_e＝Y(ρ)²×a，Y(ρ)是中心切缝试件尺寸修正系数，Y(ρ)的表达式为

a是中心切缝的初始切缝长度2a的一半，W是拉伸试件宽度2W的一半，裂纹尖端损伤区尺寸

K_IC是断裂韧度，可作为织物膜材撕裂抗力的定量表示。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤二的具体过程为：

步骤二一、选取无缺陷的织物膜材作为被测试样品，利用被测试样品制作长条形单轴拉伸试件；试件尺寸参照相关规范统一选取；

试件有效区域尺寸为200mm×50mm，如图3所示。其后，采用手术刀片制作中心切缝，中心切缝长度应包含0mm、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm共6种。制作切缝过程中，确保相同单位长度切断的纱线根数相同。每一切缝尺寸(长度和宽度一定)至少包含3个试样，以排除偶然误差。试件两头的夹持端L_c长度各40mm，采用环氧树脂胶粘薄铝板进行加固，防止试验过程中夹持端先行破坏。

在每一个拉伸试件上制作一个中心切缝，中心切缝的初始切缝长度为2a，中心切缝的初始宽度包含(0，W)范围内的不同值，W代表拉伸试件的宽度的一半；

步骤二二、将制作好中心切缝的拉伸试件，连接于单轴拉伸试验机的夹具上，确保拉伸试件夹持端受力均匀；

按位移加载方式设定加载速率，直至加载至拉伸试件发生撕裂破坏，加载过程中，记录撕裂荷载-位移曲线；

加载速率取为10mm/min，以排除动力效应对拉伸试件撕裂破坏的影响；

步骤二三、以撕裂荷载-位移曲线的峰值荷载作为撕裂破坏荷载P_N，利用P_N计算织物膜材撕裂剩余强度σ_N；

σ_N＝P_N/(2W)

步骤二四、重复步骤二二和步骤二三的操作过程，直至获取到所有初始切缝长度下，织物膜材撕裂剩余强度σ_N；

步骤二五、汇总试验数据，得到织物膜材撕裂剩余强度σ_N与初始切缝长度2a的关系。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤三的具体过程为：

步骤三一、将初始切缝长度2a代入公式a_e＝Y(ρ)²×a，将初始切缝长度2a转化为等效初始切缝长度a_e，Y(ρ)是中心切缝试件尺寸修正系数；

将织物膜材撕裂剩余强度σ_N与初始切缝长度2a的关系，转化为织物膜材撕裂剩余强度σ_N与等效初始切缝长度a_e的关系；

步骤三二、将σ_N～a_e数据对绘制于

坐标系中进行线性拟合，如图4所示，其中，线性拟合的截距为1/f_t ²，线性拟合的斜率为1/(a^*×f_t ²)，计算得到裂纹尖端损伤区尺寸a^*。

可以根据公式计算得到断裂韧度K_IC。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤四的具体过程为：

步骤四一、将步骤一中建立的撕裂剩余强度预测模型无量纲化为如下形式：

式中，F＝σ_N/f_t，F为无量纲撕裂剩余强度，A＝a_e/a^*，A为无量纲中心切缝尺寸；

步骤四二、将无量纲撕裂剩余强度与无量纲中心切缝尺寸绘制于对数坐标系中，得到织物膜材撕裂剩余强度演化曲线；织物膜材撕裂剩余强度演化曲线的数学表达式为：

可以绘制得到无量纲的撕裂剩余强度演化曲线，如图5所示，该曲线适用于不同织物膜材的剩余强度预测。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、建立织物膜材撕裂剩余强度预测模型；

步骤二、制备带有中心切缝的拉伸试件，分别获取不同初始切缝长度下，织物膜材撕裂剩余强度σ_N；

步骤三、将步骤二得到的撕裂剩余强度σ_N与初始切缝长度进行线性拟合，得到裂纹尖端损伤区尺寸a^*；

步骤四、将织物膜材拉伸强度项f_t和裂纹尖端损伤区尺寸a^*代入步骤一建立的撕裂剩余强度预测模型，得到织物膜材撕裂剩余强度演化曲线；

根据获得的织物膜材撕裂剩余强度演化曲线，进行织物膜材撕裂剩余强度的预测。

2.根据权利要求1所述的一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法，其特征在于，所述步骤一中，建立的织物膜材撕裂剩余强度预测模型的表达式为：

式中：σ_N为织物膜材撕裂剩余强度，f_t为拉伸强度项，a_e为等效初始切缝长度，a^*为裂纹尖端损伤区尺寸。

3.根据权利要求2所述的一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

步骤二一、选取无缺陷的织物膜材作为被测试样品，利用被测试样品制作长条形单轴拉伸试件；

在每一个拉伸试件上制作一个中心切缝，中心切缝的初始切缝长度为2a，中心切缝的初始长度包含(0,W)范围内的不同值，W代表拉伸试件的宽度的一半；

步骤二二、将制作好中心切缝的拉伸试件，连接于单轴拉伸试验机的夹具上，确保拉伸试件夹持端受力均匀；

按位移加载方式设定加载速率，直至加载至拉伸试件发生撕裂破坏，加载过程中，记录撕裂荷载-位移曲线；

步骤二三、以撕裂荷载-位移曲线的峰值荷载作为撕裂破坏荷载P_N，利用P_N计算织物膜材撕裂剩余强度σ_N；

σ_N＝P_N/(2W)

步骤二四、重复步骤二二和步骤二三的操作过程，直至获取到所有初始切缝长度下，织物膜材撕裂剩余强度σ_N；

步骤二五、汇总试验数据，得到织物膜材撕裂剩余强度σ_N与初始切缝长度2a的关系。

4.根据权利要求3所述的一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法，其特征在于，所述步骤三的具体过程为：

步骤三一、将初始切缝长度2a代入公式a_e＝Y(ρ)²×a，将初始切缝长度2a转化为等效初始切缝长度a_e，Y(ρ)是中心切缝试件尺寸修正系数；

将织物膜材撕裂剩余强度σ_N与初始切缝长度2a的关系，转化为织物膜材撕裂剩余强度σ_N与等效初始切缝长度a_e的关系；

步骤三二、将σ_N～a_e数据对绘制于

坐标系中进行线性拟合，其中，线性拟合的截距为1/f_t ²，线性拟合的斜率为1/(a^*×f_t ²)，计算得到裂纹尖端损伤区尺寸a^*。

5.根据权利要求4所述的一种织物膜材撕裂剩余强度预测方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：

步骤四一、将步骤一中建立的撕裂剩余强度预测模型无量纲化为如下形式：

式中，F＝σ_N/f_t，F为无量纲撕裂剩余强度，A＝a_e/a^*，A为无量纲中心切缝尺寸；

步骤四二、将无量纲撕裂剩余强度与无量纲中心切缝尺寸绘制于对数坐标系中，得到织物膜材撕裂剩余强度演化曲线；织物膜材撕裂剩余强度演化曲线的数学表达式为：

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