CN114184474A - 一种拉剪耦合测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉剪耦合测试方法，涉及材料力学应力试验领域，包括：(1)制作十字形试件；(2)将所述十字形试件安装到试验机上；(3)在所述十字形试件的四臂上施加拉伸应力和边缘扭力，实现拉剪耦合加载；(4)计算剪应力。本发明的试件中心区域剪应力分布是不均匀的，中心区域的边缘剪应力为零，越靠近中心剪应力越大，当向内一定距离后，剪应力趋于不变。本发明的测试方法对试件的中心区域同时施加拉应力和剪应力，可用于复合织物膜材的拉剪耦合力学性能测试。

Description

一种拉剪耦合测试方法

技术领域

本发明涉及材料力学应力试验领域，尤其涉及一种拉剪耦合测试方法。

背景技术

织物复合膜材是一种轻质高强的复合材料，广泛应用于土木建筑、航空航天、海洋工程等领域。柔性织物复合膜材一般由内部的织物基布与外部的涂层或薄膜复合而成，具有质地柔软、变形大的特点，在使用中仅能承受拉力和剪力作用。针对薄膜织物材料的拉伸试验和剪切试验方法有很多，拉伸性能测试方法有单轴拉伸、双轴拉伸等，剪切性能测试方法有偏轴拉伸、图框法、双轴剪切等。陈建稳，陈务军，张大旭著的“PVDF/PES涂层织物循环拉伸力学性能及弹性模量”(华南理工大学学报(自然科学版)，2013，41(6)：69-76)采用分别单轴循环拉伸和双轴循环拉伸，表明双轴拉伸试验结果更符合实际受力状态。高成军，陈务军，邱振宇，张大旭著的“建筑织物膜材双轴剪切试验与分析”(实验力学，2016,31(1)：25-30)研究了建筑织物膜材的双轴剪切力学性能。姚远著的“考虑耦合效应的平纹编织物本构模型研究”中指出织物复合膜材存在“拉剪耦合效应”，由于织物复合膜材基布采用编织方法制成，导致内部编织结构导致材料的剪切性能与其拉伸状态有关。然而，上述测试方法都是采用拉伸与剪切分离的试验方法，无法得到织物复合膜材拉伸与剪切的耦合关联性。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种拉剪耦合测试方法，通过开发相应的拉剪耦合试验方法，得到织物复合膜材拉伸与剪切的耦合关联性，便于开展相关的力学性能研究。

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包括：如何提供一种可靠的拉剪耦合试验方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种拉剪耦合测试方法，包括：

(1)制作十字形试件；

(2)将所述十字形试件安装到试验机上；

(3)在所述十字形试件的四臂上施加拉伸应力和边缘扭力，实现拉剪耦合加载；

(4)计算剪应力。

进一步地，步骤(1)中，所述十字形试件利用织物复合膜材制作。

进一步地，步骤(1)中，织物复合膜的经纬纱线方向与所述十字形试件的主轴方向一致。

进一步地，所述十字形试件包括夹持端、带缝伸臂和中心区域；所述夹持端安装在所述试验机的夹具上，所述夹持端与所述带缝伸臂的一端连接，所述带缝伸臂的另一端与所述中心区域连接。

进一步地，所述十字形试件通过在样品上整体裁切取样获得。

进一步地，所述试验机为双轴拉伸试验机。

进一步地，所述步骤(3)中，所述试验机施加拉伸应力，所述试验机同步施加边缘扭力。

进一步地，所述拉伸应力和所述边缘扭力的大小根据需要设定任意比例。

进一步地，所述步骤(4)中，计算剪应力为计算中心区域的剪应力。

进一步地，所述中心区域的剪应力：

其中，M为边缘扭力，a为中心区域边长，k为中心区域向内距离的比例，t为十字形试件厚度。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：

(1)本发明可有效实现拉剪应力场控制，试件制作简单，在试件安装之后可由系统传感器测量力矩，操作便捷。

(2)本发明的试件中心区域剪应力分布是不均匀的，中心区域的边缘剪应力为零，越靠近中心剪应力越大，当向内一定距离后，剪应力趋于不变。本发明的测试方法对试件的中心区域同时施加拉应力和剪应力，可用于复合织物膜材的拉剪耦合力学性能测试。

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是本发明的拉剪耦合十字形试件；

图2是本发明的拉剪耦合测试方法的拉伸应力和边缘扭力的加载示意图；

图3是本发明的拉剪耦合剪应力计算图；

图中：1-夹持端、2-带缝伸臂、3-中心区域。

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。

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。

实施例1

本实施例提供了织物复合膜材双轴拉剪耦合测试方法，利用织物复合膜材制作十字形试件，使得织物复合膜材的经纬纱线方向与试件十字形试件主轴方向一致；根据试件方案，对十字形试件四臂施加拉伸应力和边缘扭力，实现拉剪耦合加载。

如图1所示，十字形试件包括夹持端1、带缝伸臂2和中心区域3，夹持端用于安装到试验机夹具上，带缝伸臂2将试验机荷载均匀传递至中心区域3；中心区域3为测试区，通过中心区域的应力和应变分析材料的拉剪耦合力学性能。施加拉伸应力为试验机提供的拉力，拉伸过程参数可根据试验需求设定，边缘扭力为试验机扭转机构提供，扭转过程参数可根据试验需求设定。试验过程中实时拉伸力、扭力、拉伸应变、剪切变形均通过试验机测试得到。

实施例2

如图2所示，通过双轴拉伸试验机拉伸十字形试件四臂，对十字形试件中心区域施加任意比例的拉伸应力，经纬方向的拉伸应力分别为σ_x、σ_y。在十字形两轴臂端施加互逆转动力矩M，转动力矩M在十字形中心区域对应剪力τ。剪应力在中心区域3 是不均匀的，中心区域3的边缘剪应力为零，越靠近中心剪应力越大。当向内距离为 ka后，剪应力趋于不变，其中a为中心区域边长，k为中心区域向内距离的比例。

如图3所示，计算十字形中心区域的剪应力为：

如图1所示，本实施例中，十字形试件总长为d，伸展臂长为c，夹持端长为b，中心区域边长为a，十字形交叉四角倒角半径为R，中心区域边缘至内部核心区边缘距离为ka，具体参数可根据试验需求设计参数值。本实施例中较佳的尺寸可以取 a＝160mm，b＝50mm，c＝160mm，d＝580mm，k＝0.125。

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)

1.一种拉剪耦合测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制作十字形试件；

(2)将所述十字形试件安装到试验机上；

(3)在所述十字形试件的四臂上施加拉伸应力和边缘扭力，实现拉剪耦合加载；

(4)计算剪应力。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述十字形试件利用织物复合膜材制作。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，织物复合膜的经纬纱线方向与所述十字形试件的主轴方向一致。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述十字形试件包括夹持端、带缝伸臂和中心区域；所述夹持端安装在所述试验机的夹具上，所述夹持端与所述带缝伸臂的一端连接，所述带缝伸臂的另一端与所述中心区域连接。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述十字形试件通过在样品上整体裁切取样获得。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述试验机为双轴拉伸试验机。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述试验机施加拉伸应力，所述试验机同步施加边缘扭力。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述拉伸应力和所述边缘扭力的大小根据需要设定任意比例。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，计算剪应力为计算中心区域的剪应力。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述中心区域的剪应力：

其中，M为边缘扭力，a为中心区域边长，k为中心区域向内距离的比例，t为十字形试件厚度。

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