CN113702215A - 一种柔性织物冲击测试系统及纱线应变能计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性织物冲击测试系统及纱线应变能计算方法，采用印证胶泥完整捕捉柔性织物冲击极限变形状态，应用光学全场测量胶泥冲击坑三维离面位移场，并根据冲击坑三维离面位移场信息分段提取柔性织物主纱及辅纱冲击形貌曲线，插值冲击变形跨度得到冲击坑经纬纱方向变形衰减趋势。根据冲击形貌曲线输出主纱冲击应变，以织物冲击变形衰减趋势插值得到所有辅纱冲击应变情况，则可根据纱线本构关系及冲击变形衰减趋势计算柔性织物所有纱线应变能。本发明能够对柔性织物整体的冲击变形进行综合分析，从而对柔性防护装备的冲击吸能水平及防护性能进行综合深入的评测。

Description

一种柔性织物冲击测试系统及纱线应变能计算方法
技术领域
本发明涉及柔性织物冲击测试技术领域，尤其涉及一种柔性织物冲击测试系统及纱线应变能计算方法。
背景技术
防弹装备的防护性能主要体现在对于弹头动能的耗散及阻止弹头穿透作用从而实现对于人体的保护，并且防弹装备的非贯穿性损伤防护能力同样也应予以重点关注，由于子弹的高速度，在击中目标后会产生较大的冲击力，所以即使在未穿透防弹衣的情况下，仍然可以对人体产生致命损伤，而防弹衣非贯穿性损伤的防护能力主要体现在冲击后变形状态中，而防弹衣非贯穿性损伤的防护能力主要体现在冲击后变形状态中，对于冲击极限变形的评价具有积极指导意义。
其中，防弹柔性织物是军工领域制备柔性防护装备的重要材料，例如，超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维等高性能人造纤维具有高强度、高模量、轻质、耐磨、耐腐蚀等一系列优点，广泛应用于航空航天、消防、建筑材料、电子设备及军工领域。所以对于其防护性能的准确评价，是防护装备可靠性分析的重要组成。然而，目前国内对于防护装备的性能评价，仍然多基于背面冲击深度情况进行评价指标来衡量防护装备是否通过弹道冲击测试，具有评价体系不完整，造成大量数据浪费及理论分析之后的缺陷，评价指标单一无法基于评价结果给出防护装备进一步优化设计的方向。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种柔性织物冲击测试系统及纱线应变能计算方法。
一种柔性织物冲击测试系统，包括：气瓶、控制器、实验台和设置在所述实验台上的压力室、枪管、冲击杆、激光器、光电测试仪、夹持装置和固定块；所述气瓶和压力室均与所述控制器电连接，所述气瓶与所述压力室连通，向所述压力室输出高压气体，提供冲击动能；所述压力室用于对高压气体增压；所述枪管一端与所述压力室连通，另一端设置有冲击杆，通过所述冲击杆对所述柔性织物进行冲击，所述枪管管身上还设置有溢气口，用于排出多余气体；所述激光器设置在所述冲击杆上方，所述光电测试仪设置在所述冲击杆下方，通过所述激光器和光电测试仪对所述冲击杆的冲击速度进行测试；所述光电测试仪连接有示波器，用于显示所述冲击速度；所述夹持装置前端固定有柔性织物，后端设置有固定块，所述固定块用于固定夹持装置，所述夹持装置内设置有胶泥，柔性织物的一面覆盖在所述胶泥上，另一面朝向所述冲击杆设置。
在其中一个实施例中，所述夹持装置包括有织物卡具和胶泥容器；所述织物卡具与所述胶泥容器通过螺栓进行固定，柔性织物固定在所述织物卡具和所述胶泥容器之间；所述织物卡具中间开有通孔，便于冲击杆对柔性织物进行冲击；所述胶泥容器内设置有与所述通孔对应的开口，内部填充有胶泥，且底部设置有固定部，通过所述固定部与所述实验台进行固定。
一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，包括以下步骤：预设若干冲击能量梯度，对柔性织物进行非穿透性测试，获取胶泥冲击坑；对所述胶泥冲击坑的三维形貌进行全场光学测量，获得胶泥冲击坑的三维离面位移场，所述三维离面位移场包括有经纱和纬纱；根据所述胶泥冲击坑的三维离面位移场，输出主纱冲击形貌曲线，并在经纱和纬纱方向分段等距选取至少三条辅纱的冲击形貌曲线，直至胶泥冲击坑边界；将经纱和纬纱方向所有冲击形貌曲线离面变形为0的两点间跨度尺寸进行输出，获取胶泥冲击坑的主纱变形跨度和辅纱变形跨度，并根据所述主纱变形跨度和辅纱变形跨度，多点拟合胶泥冲击坑在经纱和纬纱方向上主纱及辅纱的变形衰减趋势，获取经纱和纬纱方向的变形跨度衰减函数；根据主纱冲击形貌曲线进行分段拟合，获取多个分段的主纱冲击形貌曲线表达式，对所有分段的主纱冲击形貌曲线进行分段弧微分，确定主纱冲击伸长量，并根据所述主纱伸长量获取主纱冲击应变情况；根据所述主纱冲击应变情况和主纱及辅纱的变形衰减趋势，插值确定柔性织物上所有辅纱的冲击应变情况，并根据纱线的本构关系对所有纱线的冲击应变能进行计算，将经纱和纬纱方向上所有主纱及辅纱的应变能进行求和，获取柔性织物冲击过程中的纱线应变能。
在其中一个实施例中，所述全场光学测量采用多频投影条纹法或三维数字图像相关法。
在其中一个实施例中，所述经纱和纬纱方向变形跨度衰减函数具体为：
s＝kn exp(-x/an)-bn； (1)
其中，kn，an和bn是柔性织物的辅纱变形衰减函数的参数，根据冲击能量梯度进行确定，x为距离主纱位置的距离。
在其中一个实施例中，所述根据主纱冲击形貌曲线分段拟合，获取多个分段的主纱冲击形貌曲线表达式，具体包括：对所述主纱冲击形貌曲线进行三段拟合，则三个分段的冲击形貌曲线为：
Figure BDA0003254774830000031
其中，zi代表第i段曲线的具体表达式，i＝1、2或3，ki、ai、bi分别对应第i段曲线的拟合参数，a、b、c为曲线分段的节点。
在其中一个实施例中，所述对所有分段的主纱冲击形貌曲线进行分段弧微分，确定主纱冲击伸长量，并根据所述主纱伸长量获取主纱冲击应变情况，具体包括：对三个分段的主纱形貌曲线分别进行弧微分确定弧长，弧微分的具体过程为：
Figure BDA0003254774830000032
其中，ci代表第i段曲线的弧长，将c1、c2、c3进行求和记为主纱在冲击变形区域的冲击总长度，将所述冲击总长度与主纱的变形跨度尺寸相减，获得主纱冲击伸长量，并且与主纱原长相比，获得主纱冲击应变情况为：
Figure BDA0003254774830000033
其中，△L为主纱在冲击过程中的伸长量，s0为主纱冲击变形区域长度，ε0为主纱冲击应变，L为主纱有效原长，即纱线在拉直状态下的长度。
在其中一个实施例中，所述根据所述主纱冲击应变情况和变形衰减趋势，插值确定柔性织物上所有辅纱的冲击应变情况，具体包括：
根据所述经纱和纬纱方向变形跨度衰减函数对辅纱的冲击应变进行插值确定，表示为：
Figure BDA0003254774830000041
其中，εi为距离主纱第i根辅纱的冲击应变；s0为主纱的变形跨度尺寸，si为距主纱第i根辅纱的变形跨度尺寸；x0为主纱位置，xi为第i根辅纱距主纱的距离；n为冲击变形跨度为0的辅纱编号。
在其中一个实施例中，根据纱线的冲击应变情况，获取纱线应变能为：
Figure BDA0003254774830000042
其中，W为纱线冲击应变能，A为纱线横截面积，s为纱线冲击变形跨度，u为冲击应力波传播速度，t为冲击过程时间，σ(ε)为纱线本构关系。
在其中一个实施例中，在所述纱线本构关系为纱线线性本构关系时，纱线应变能的计算过程为：
Wi＝EAεi△Li/2,i＝0,1...,n； (7)
其中，Wi为编号为i的纱线冲击应变能水平，当i＝0时代表主纱应变能，E为纱线的拉伸模量，△Li为第i根辅纱的冲击伸长量，根据冲击应变确定；
根据冲击变形的对称性，将主纱与辅纱的冲击应变能进行求和，经纱或纬纱的纱线应变能均可表示为下式：
Figure BDA0003254774830000043
分别求得经纱和纬纱应变能后，将经纱应变能和纬纱应变能进行求和，获取柔性织物的纱线应变能，即：
Wfabric＝Wweft+Wwarp； (9)
其中，Wweft表示纬纱应变能，Wwarp表示经纱应变能。
相比于现有技术，本发明的优点及有益效果在于：
1、本发明能够对柔性织物整体的冲击变形进行综合分析，从而对柔性防护装备的冲击吸能水平及防护性能进行综合深入的评测。
2、本发明能够通过光学全场测量对胶泥冲击坑的三维形貌进行全场分析，有助于给出全面深入的评价结果，并可以对防护装备进一步优化设计提供明确的方向。
附图说明
图1为一个实施例中一种柔性织物冲击测试系统的结构示意图；
图2为图1中夹持装置的结构示意图；
图3为一个实施例中胶泥冲击坑三维形貌测量系统的结构示意图；
图4为一个实施例中一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法的流程示意图；
图5为一个实施例中胶泥冲击坑全场测量图及经纬纱冲击形貌提取示意图；
图6为一个实施例中柔性织物主纱和辅纱的冲击形貌曲线示意图；
图7为图6中胶泥冲击坑变形的衰减趋势拟合情况示意图；
图8为一个实施例中主纱冲击形貌分段拟合情况示意图；
图9为一个实施例中柔性织物的冲击变形示意图。
附图中，柔性织物100、气瓶1、控制器2、实验台3、压力室4、枪管5、溢气口51、冲击杆6、激光器7、光电测试仪8、示波器81、夹持装置9、织物卡具91、通孔911、胶泥容器92、固定部921和固定块10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在一个实施例中，如图1和图2所示，提供了一种柔性织物冲击测试系统，包括：气瓶1、控制器2、实验台3和设置在实验台3上的压力室4、枪管5、冲击杆6、激光器7、光电测试仪8、夹持装置9和固定块10；气瓶1和压力室4均与控制器2电连接，气瓶1和压力室3连通，向压力室3输出高压气体，提供冲击动能；压力室3用于对高压气体增压；枪管5一端与压力室4连通，另一端设置有冲击杆6，通过冲击杆6对柔性织物进行冲击，枪管5管身上还设置有溢气口51，用于排出多余气体；激光器7设置在冲击杆6上方，光电测试仪8设置在冲击杆6下方，通过激光器7和光电测试仪8对冲击杆6的冲击速度进行测试，光电测试仪8连接有示波器81，用于显示冲击速度；夹持装置9前端固定有柔性织物100，后端设置有固定块10，固定块10用于固定夹持装置9，夹持装置9内设置有胶泥，柔性织物100的一面覆盖在胶泥上，另一面朝向冲击杆6设置。
在本实施例中，通过气瓶1的压力提供冲击动能，高压气体受控制器2的控制，经过压力室4进行增压，通过枪管5向冲击杆6提供冲击动能，多余的气体通过溢气口51排出，冲击杆6的冲击速度通过激光器7和光电测试仪8进行测量，并通过示波器81进行显示，通过控制器2可以对冲击气压进行控制，对冲击杆6提供不同的冲击能量梯度，冲击于柔性织物100，柔性织物100受夹持装置9提供圆周固定边界，且背面贴附胶泥，用以记录柔性织物100的冲击极限变形，在夹持装置背面设置有固定块10，从而确保冲击过程中夹持装置不会发生整体移动，在柔性织物100的冲击测试中，冲击杆6以不同冲击能量梯度，冲击于柔性织物100表面，冲击极限变形由胶泥完整捕捉，获得胶泥冲击坑。
其中，夹持装置9包括有织物卡具91和胶泥容器92，织物卡具91与胶泥容器92通过螺栓进行固定，柔性织物固定在织物卡具91和胶泥容器92之间；织物卡具91中间开有通孔911，便于冲击杆6对柔性织物进行冲击；胶泥容器92设置有与通孔911对应的开口，内部填充有胶泥，且底部设置有固定部921，通过固定部921与实验台3进行固定。
具体地，织物卡具91的中部开有通孔91，作为织物冲击测试区域，胶泥容器92预留出与织物卡具91相同直径的圆柱形空间，用以填充胶泥，织物卡具91与胶泥容器92通过螺栓进行固定夹持，为增大织物卡具91及胶泥容器92界面间的摩擦力，在织物卡具91及胶泥容器92的接触面上设置有摩擦副，以确保柔性织物在冲击过程中不发生滑出，柔性织物被夹紧后，通过螺栓将固定部921与实验台3进行固定。
其中，在一个实施例中，如图3所示，还提供一种胶泥冲击坑三维形貌的测量系统，胶泥冲击坑三维离面位移场可以通过多种方法进行测量，这里采用光学多频投影条纹全场测量法为例进行表述，首先，通过应用计算机31将多频正弦条纹通过投影仪32连续投放于胶泥冲击坑33表面，胶泥及胶泥冲击坑33表面所反射的正弦条纹状态由镜头24捕捉，由于胶泥冲击坑的离面变形位移，反射回镜头24的正弦条纹发生一定程度的扭曲造成相位变化，经过应用计算机31对相位差变化进行解析处理，可以输出胶泥冲击坑33的三维离面位移场。
在一个实施例中，如图4所示，提供了一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，包括以下步骤：
步骤S401，预设若干冲击能量梯度，对柔性织物进行非穿透性测试，获取胶泥冲击坑。
具体地，采用上述冲击测试系统，在控制器中预先设置若干冲击能量梯度，对柔性织物进行非穿透性测试，获取若干胶泥冲击坑。
步骤S402，对胶泥冲击坑的三维形貌进行全场光学测量，获得胶泥冲击坑的三维离面位移场，三维离面位移场包括有经纱和纬纱。
具体地，通过上述胶泥冲击坑三维形貌的测量系统，对胶泥冲击坑的三维形貌进行全场光学测量，从而获取胶泥冲击坑的三维离面位移场，三维离面位移场中包括有经纱和纬纱，如图5(a)所示。
其中，全场光学测量可以采用多频投影条纹法或三维数字图像相关法，上述胶泥冲击坑三维形貌的测量系统采用多频投影条纹法。
步骤S403，根据胶泥冲击坑的三维离面位移场，输出主纱冲击形貌曲线，并在经纱和纬纱方向分段等距选取至少三条辅纱的冲击形貌曲线，直至胶泥冲击坑边界。
具体地，如图5所示，为胶泥冲击坑全场测量图及经纬纱冲击形貌曲线提取示意图，在选取四条辅纱的冲击形貌曲线时，首先，根据胶泥冲击坑三维离面位移场提取主纱的冲击形貌曲线，经向主纱冲击形貌曲线对应图5(b)中的曲线A～A’，纬向主纱冲击形貌图对应图5(c)中的曲线1～1’，并且依据主纱冲击位置分段等距提取辅纱冲击形貌曲线，直至胶泥冲击坑边界，经向辅纱冲击形貌曲线分别对应图5(b)中的曲线B～B’、C～C’、D～D’和E～E’，纬向辅纱冲击形貌曲线分别对应图5(c)中的曲线2～2’、3～3’、4～4’和5～5’，多段提取冲击主纱及辅纱冲击形貌曲线能够对柔性织物经纬向的冲击变形衰减趋势进行相应的评估。
具体地，胶泥冲击坑随着冲击能量的增大，冲击变形范围也随之增大，且在较高的冲击能量下，胶泥冲击坑变形形貌四边具有明显向内弯曲的趋势，如图5(d)所示。
步骤S404，将经纱和纬纱方向所有冲击形貌曲线离面变形为0的两点间跨度尺寸进行输出，获取胶泥冲击坑的主纱变形跨度和辅纱变形跨度，并根据主纱变形跨度和辅纱变形跨度，多点拟合胶泥冲击坑在经纱和纬纱方向上主纱及辅纱的变形衰减趋势，获取经纱和纬纱方向的变形跨度衰减函数。
如图6到图7所示，提供了一个实施例中胶泥冲击坑主纱和辅纱冲击形貌曲线图，以及对应的胶泥冲击坑变形衰减趋势拟合情况示意图。
其中，以经向主纱和辅纱的冲击相貌曲线为例，对柔性织物的冲击变形情况进行评估，主纱冲击形貌中曲线A～A’具有最大面内变形范围及离面变形尺寸，随着距主纱位置越来越远，辅纱冲击形貌曲线的面内变形范围及离面变形尺寸逐渐减小，直到继续远离主纱位置减小为0。提取主纱及辅纱的冲击变形跨度s，并进行多点拟合，获得柔性织物在几种冲击能量梯度下的冲击变形衰减趋势结果，如图7所示，可见胶泥冲击坑变形衰减趋势从主纱位置向外符合指数函数分布形式，且冲击能量越大，向内弯曲的指数性越强。可以将柔性织物经纱和纬纱方向的变形衰减函数表示为：
s＝kn exp(-x/an)-bn； (1)
其中，kn，an和bn是柔性织物的辅纱变形衰减函数的参数，根据冲击能量梯度进行确定，x为距离主纱位置的距离。
具体地，kn，an和bn是根据拟合结果确定的织物冲击变形衰减函数的相关参数，对于不同冲击能量梯度的冲击测试结果，对应不同的数值，均由胶泥冲击坑三维形貌给出。
步骤S405，根据主纱冲击形貌曲线进行分段拟合，获取多个分段的主纱冲击形貌曲线表达式，对所有分段的主纱冲击形貌曲线进行分段弧微分，确定主纱冲击伸长量，并根据主纱伸长量获取主纱冲击应变情况。
具体地，如图8所示，为采用三段拟合时，主纱冲击形貌曲线的分段拟合结果，在确定柔性织物经纬纱方向冲击变形的衰减函数后，需要对柔性织物冲击测试过程中的纱线冲击应变情况进行评估，以便计算纱线冲击应变能。
首先，以经向主纱冲击形貌曲线A～A’为例，确定主纱冲击应变情况，将主纱冲击形貌曲线分为三段，分别为第1段、第2段和第3段，并进行分段拟合处理确定冲击形貌曲线的具体表达函数，第1段和第3段曲线采用指数函数拟合的方式，第2段曲线采用多项式函数拟合方式，从而取得较好的拟合精度，则主纱的冲击形貌曲线可以表示为：
Figure BDA0003254774830000091
其中，zi代表第i段曲线的具体表达式，i＝1、2或3，ki、ai、bi分别对应第i段曲线的拟合参数，a、b、c为曲线分段的节点。
在确定主纱冲击形貌曲线的函数表达式后，需要进行一步确定主纱的冲击应变情况，对主纱冲击形貌曲线分段进行弧微分确定弧长，具体如下：
Figure BDA0003254774830000092
其中，ci代表第i段曲线的弧长，将c1、c2、c3进行求和记为主纱在冲击变形区域的冲击总长度，将冲击总长度与主纱的变形跨度尺寸相减，获得主纱冲击伸长量，并且与主纱原长相比，获得主纱冲击应变情况为：
Figure BDA0003254774830000093
其中，△L为主纱在冲击过程中的伸长量，s0为主纱冲击变形区域长度，ε0为主纱冲击应变，L为主纱有效原长，即纱线在拉直状态下的长度。
应该注意，由于柔性织物相互编织，令纱线具有一定初始屈曲，在冲击过程中，纱线初始屈曲被拉直，令纱线伸长，但这种伸长量并不造成纱线应变，所以这里的L为主纱有效原长，即纱线在拉直状态下的长度。
步骤S406，根据主纱冲击应变情况和主纱及辅纱的变形衰减趋势，插值确定柔性织物上所有辅纱的冲击应变情况，并根据纱线的本构关系对所有纱线的冲击应变能进行计算，将经纱和纬纱方向上所有主纱及辅纱的应变能进行求和，获取柔性织物冲击过程中的纱线应变能。
具体地，在确定主纱冲击应变情况之后，根据织物冲击变形衰减函数对辅纱的冲击应变情况进行插值确定
如图9所示，为柔性织物冲击变形状态的示意图，柔性织物的整体呈现近四棱锥形状的冲击变形状态，其中主纱编号为0，位于四棱锥的棱上具有最大冲击变形及冲击应变，由主纱向外的辅纱依次编号为1～n，冲击变形及冲击应变依次减小，则主纱和辅纱的插值关系为：
Figure BDA0003254774830000101
其中，εi为距离主纱第i根辅纱的冲击应变；s0为主纱的变形跨度尺寸，si为距主纱第i根辅纱的变形跨度尺寸；x0为主纱位置，xi为第i根辅纱距主纱的距离；n为冲击变形跨度为0的辅纱编号。
则可以根据主纱和辅纱的插值关系，确定所有辅纱的冲击应变水平，从而确定柔性织物上所有纱线的冲击应变水平。
根据柔性织物中所有纱线的冲击应变情况，计算冲击测试过程中的纱线应变能水平。柔性织物纱线尺度上的力学性能大致遵循线性本构关系，尤其是在较低的应变率水平下，则以线性本构行为对纱线应变能进行计算，表示为：
Figure BDA0003254774830000102
其中，W为纱线冲击应变能，A为纱线横截面积，s为纱线冲击变形跨度，u为冲击应力波传播速度，t为冲击过程时间，则2ut为冲击应力波传播范围即纱线冲击变形跨度s，σ(ε)为纱线本构关系。以纱线线性本构关系为例，纱线应变能的计算过程，具体为：
Wi＝EAεi△Li/2,i＝0,1...,n； (7)
其中，Wi为编号为i的纱线冲击应变能水平，当i＝0时代表主纱应变能，E为纱线的拉伸模量，△Li为第i根辅纱的冲击伸长量，根据冲击应变确定；
则根据冲击变形的对称性，将主纱与辅纱的冲击应变能进行求和，经纱或纬纱的纱线应变能均可表示为下式：
Figure BDA0003254774830000111
最后，分别求得经纱和纬纱应变能后，将经纱应变能和纬纱应变能进行求和，获取柔性织物纱线的应变能，即：
Wfabric＝Wweft+Wwarp； (9)
其中，Wweft表示纬纱应变能，Wwarp表示经纱应变能。
在本实施例中，对柔性织物进行非穿透性冲击测试，并以胶泥贴附于柔性织物背面，在冲击过程中，由于胶泥的粘性，柔性织物的极限冲击变形被完整记录下来，通过光学全场测量的方法获得胶泥冲击坑的三维离面位移场，通过该三维离面位移场提取主纱冲击形貌曲线，采用弧微分确定主纱冲击伸长量，去除纱线屈曲伸长影响，确定主纱冲击应变，经纱和纬纱方向上分段提取辅纱冲击形貌曲线，根据冲击形貌曲线变形跨度拟合胶泥冲击坑的经纱和纬纱方向的变形衰减趋势，根据变形衰减趋势对所有辅纱的冲击应变情况进行插值确定，确定所有主纱和辅纱的冲击应变情况后，根据纱线的本构关系可以对纱线冲击应变能进行计算，对所有纱线的冲击应变能进行求和，即获取柔性织物纱线的应变能，能够对柔性织物整体的冲击变形进行综合分析，从而对柔性防护装备的冲击吸能水平及防护性能进行综合深入的评测，并根据评测结果获取进一步优化的方向。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性织物冲击测试系统，其特征在于，包括：气瓶、控制器、实验台和设置在所述实验台上的压力室、枪管、冲击杆、激光器、光电测试仪、夹持装置和固定块；
所述气瓶和压力室均与所述控制器电连接，所述气瓶与所述压力室连通，向所述压力室输出高压气体，提供冲击动能；
所述压力室用于对高压气体增压；
所述枪管一端与所述压力室连通，另一端设置有冲击杆，通过所述冲击杆对所述柔性织物进行冲击，所述枪管管身上还设置有溢气口，用于排出多余气体；
所述激光器设置在所述冲击杆上方，所述光电测试仪设置在所述冲击杆下方，通过所述激光器和光电测试仪对所述冲击杆的冲击速度进行测试；
所述光电测试仪连接有示波器，用于显示所述冲击速度；
所述夹持装置前端固定有柔性织物，后端设置有固定块，所述固定块用于固定夹持装置，所述夹持装置内设置有胶泥，柔性织物的一面覆盖在所述胶泥上，另一面朝向所述冲击杆设置。
2.根据权利要求1所述的一种柔性织物冲击测试系统，其特征在于，所述夹持装置包括有织物卡具和胶泥容器；所述织物卡具与所述胶泥容器通过螺栓进行固定，柔性织物固定在所述织物卡具和所述胶泥容器之间；
所述织物卡具中间开有通孔，便于冲击杆对柔性织物进行冲击；
所述胶泥容器内设置有与所述通孔对应的开口，内部填充有胶泥，且底部设置有固定部，通过所述固定部与所述实验台进行固定。
3.一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
预设若干冲击能量梯度，对柔性织物进行非穿透性测试，获取胶泥冲击坑；
对所述胶泥冲击坑的三维形貌进行全场光学测量，获得胶泥冲击坑的三维离面位移场，所述三维离面位移场包括有经纱和纬纱；
根据所述胶泥冲击坑的三维离面位移场，输出主纱冲击形貌曲线，并在经纱和纬纱方向分段等距选取至少三条辅纱的冲击形貌曲线，直至胶泥冲击坑边界；
将经纱和纬纱方向所有冲击形貌曲线离面变形为0的两点间跨度尺寸进行输出，获取胶泥冲击坑的主纱变形跨度和辅纱变形跨度，并根据所述主纱变形跨度和辅纱变形跨度，多点拟合胶泥冲击坑在经纱和纬纱方向上主纱及辅纱的变形衰减趋势，获取经纱和纬纱方向的变形跨度衰减函数；
根据主纱冲击形貌曲线进行分段拟合，获取多个分段的主纱冲击形貌曲线表达式，对所有分段的主纱冲击形貌曲线进行分段弧微分，确定主纱冲击伸长量，并根据所述主纱伸长量获取主纱冲击应变情况；
根据所述主纱冲击应变情况和主纱及辅纱的变形衰减趋势，插值确定柔性织物上所有辅纱的冲击应变情况，并根据纱线的本构关系对所有纱线的冲击应变能进行计算，将经纱和纬纱方向上所有主纱及辅纱的应变能进行求和，获取柔性织物冲击过程中的纱线应变能。
4.根据权利要求3所述的一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，其特征在于，所述全场光学测量采用多频投影条纹法或三维数字图像相关法。
5.根据权利要求3所述的一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，其特征在于，所述经纱和纬纱方向变形跨度衰减函数具体为：
s＝knexp(-x/an)-bn； (1)
其中，kn，an和bn是柔性织物的辅纱变形衰减函数的参数，根据冲击能量梯度进行确定，x为距离主纱位置的距离。
6.根据权利要求5所述的一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，其特征在于，所述根据主纱冲击形貌曲线分段拟合，获取多个分段的主纱冲击形貌曲线表达式，具体包括：对所述主纱冲击形貌曲线进行三段拟合，则三个分段的冲击形貌曲线为：
Figure FDA0003254774820000021
其中，zi代表第i段曲线的具体表达式，i＝1、2或3，ki、ai、bi分别对应第i段曲线的拟合参数，a、b、c为曲线分段的节点。
7.根据权利要求6所述的一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，其特征在于，所述对所有分段的主纱冲击形貌曲线进行分段弧微分，确定主纱冲击伸长量，并根据所述主纱伸长量获取主纱冲击应变情况，具体包括：
对三个分段的主纱形貌曲线分别进行弧微分确定弧长，弧微分的具体过程为：
Figure FDA0003254774820000031
其中，ci代表第i段曲线的弧长，将c1、c2、c3进行求和记为主纱在冲击变形区域的冲击总长度，将所述冲击总长度与主纱的变形跨度尺寸相减，获得主纱冲击伸长量，并且与主纱原长相比，获得主纱冲击应变情况为：
Figure FDA0003254774820000032
其中，△L为主纱在冲击过程中的伸长量，s0为主纱冲击变形区域长度，ε0为主纱冲击应变，L为主纱有效原长，即纱线在拉直状态下的长度。
8.根据权利要求6所述的一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，其特征在于，所述根据所述主纱冲击应变情况和变形衰减趋势，插值确定柔性织物上所有辅纱的冲击应变情况，具体包括：
根据所述经纱和纬纱方向变形跨度衰减函数对辅纱的冲击应变进行插值确定，表示为：
Figure FDA0003254774820000033
其中，εi为距离主纱第i根辅纱的冲击应变；s0为主纱的变形跨度尺寸，si为距主纱第i根辅纱的变形跨度尺寸；x0为主纱位置，xi为第i根辅纱距主纱的距离；n为冲击变形跨度为0的辅纱编号。
9.根据权利要求8所述的一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，其特征在于，根据纱线的冲击应变情况，获取纱线应变能为：
Figure FDA0003254774820000034
其中，W为纱线冲击应变能，A为纱线横截面积，s为纱线冲击变形跨度，u为冲击应力波传播速度，t为冲击过程时间，σ(ε)为纱线本构关系。
10.根据权利要求9所述的一种柔性织物冲击测试纱线应变能计算方法，其特征在于，在所述纱线本构关系为纱线线性本构关系时，纱线应变能的计算过程为：
Wi＝EAεi△Li/2,i＝0,1...,n； (7)
其中，Wi为编号为i的纱线冲击应变能水平，当i＝0时代表主纱应变能，E为纱线的拉伸模量，△Li为第i根辅纱的冲击伸长量，根据冲击应变确定；
根据冲击变形的对称性，将主纱与辅纱的冲击应变能进行求和，经纱或纬纱的纱线应变能均可表示为下式：
Figure FDA0003254774820000041
分别求得经纱和纬纱应变能后，将经纱应变能和纬纱应变能进行求和，获取柔性织物的纱线应变能，即：
Wfabric＝Wweft+Wwarp； (9)
其中，Wweft表示纬纱应变能，Wwarp表示经纱应变能。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117288614A (zh) * 2023-11-24 2023-12-26 中国科学院力学研究所 一种细长柔性结构冲击实验装置和方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004037397A (ja) * 2002-07-05 2004-02-05 Foundation For The Promotion Of Industrial Science 平織膜材料解析システム
US20110048123A1 (en) * 2009-08-27 2011-03-03 Southwest Research Institute Techniques To Measure Strain Development And Failure In A Fabric
CN107515154A (zh) * 2017-08-26 2017-12-26 大连理工大学 一种以冲击坑三维形貌体积为指标的织物防弹性能的实验装置及其评价方法
CN108318353A (zh) * 2018-03-31 2018-07-24 大连理工大学 柔性织物面内剪切变形评价的相框测试装置及其测试方法
CN109030203A (zh) * 2018-06-27 2018-12-18 大连理工大学 柔性织物纱线拔出实验装置及其工作方法
CN109373705A (zh) * 2018-09-20 2019-02-22 西安工程大学 一种织物表面受热不均匀造成的变形失稳控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004037397A (ja) * 2002-07-05 2004-02-05 Foundation For The Promotion Of Industrial Science 平織膜材料解析システム
US20110048123A1 (en) * 2009-08-27 2011-03-03 Southwest Research Institute Techniques To Measure Strain Development And Failure In A Fabric
CN107515154A (zh) * 2017-08-26 2017-12-26 大连理工大学 一种以冲击坑三维形貌体积为指标的织物防弹性能的实验装置及其评价方法
CN108318353A (zh) * 2018-03-31 2018-07-24 大连理工大学 柔性织物面内剪切变形评价的相框测试装置及其测试方法
CN109030203A (zh) * 2018-06-27 2018-12-18 大连理工大学 柔性织物纱线拔出实验装置及其工作方法
CN109373705A (zh) * 2018-09-20 2019-02-22 西安工程大学 一种织物表面受热不均匀造成的变形失稳控制方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YANGQING HOU等: "An analytical model for the ballistic impact of three dimensional angle-interlock woven fabric penetrated by a rigid cylindro-spherical projectile", TEXTILE RESEARCH JOURNAL, vol. 81, no. 12, pages 1287 - 1303 *
YU MA等: "Impact resistance analysis of flexible fabric by 3D shape of impact basin in low-speed impact test", POLYMER TESTING, vol. 81, pages 1 - 9 *
顾伯洪: "织物弹道贯穿性能分析计算", 复合材料学报, vol. 19, no. 6, pages 92 - 96 *
马宇等: "剪切增稠液改性软织物的SHPB冲击测试研究", 实验力学, vol. 35, no. 3, pages 384 - 396 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117288614A (zh) * 2023-11-24 2023-12-26 中国科学院力学研究所 一种细长柔性结构冲击实验装置和方法

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