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一种用于涂层织物膜材破坏强度的判定方法

一种用于涂层织物膜材破坏强度的判定方法,适用于建筑膜结构中的用于涂层织物膜材破坏强度的判定。针对涂层织物类膜材,采用偏轴拉伸试验方法进行拉伸试验,使材料会受到拉力和剪力的共同作用;当试验拉力逐渐加大,使涂层织物类膜材发生破坏,此时涂层织物类膜材的经向、纬向两个主轴方向的正应力、剪应力满足表达式,通过判断各应力分量是否满足该表达式即可判断材料是否达到破坏状态。本发明能够准确预测涂层织物膜材料在复杂受力状态下的破坏强度,合理选取了影响涂层织物膜材料破坏强度的几个主要因素,既能反映出经、纬向正应力的相互作用,又能反映出拉力与剪力的耦合作用,有效弥补了目前大部分强度模型存在的问题。
 
在工程应用中,材料往往处于复杂应力状态下,判断材料的安全一破损极限状态,建立材料破坏的强度预测准则非常必要。由于材料强度问题的复杂性,在强度准则中不可能包罗影响材料破坏的所有因素,只能从大量试验结果的观察中,选取影响较大的因素,建立起表达强度条件的数学关系式。破坏准则是结构设计的主要设计依据之一,对于材料的发展和应用有十分重要的意义。
 
在实际情况中,材料总是处于复杂应力状态,复杂应力状态下的强度值不可能用简单的试验逐个给出,这不仅是由于各种应力组合有无穷多个,同时进行复合材料的组合应力试验也是一件相当困难的事情。因此,材料强度准则所要解决的问题就是利用几个基本强度,用尽可能简单的表达式来判定材料在各种应力组合状态下的强度。
 
涂层织物膜材为正交各向异性材料,只受拉不受压,主要由基层、涂层和面层三部分。其中基层由各种织物纤维编织而成,决定膜材的结构力学特性。涂层和面层保护基层,且具有自洁、抗污染、耐久性等作用。基层的编织纤维相互垂直,分别为经向、纬向纤维,两个方向(又称作两个主轴)的力学性能差异较大。
 
涂层织物膜材属于机织复合材料,破坏模式比较复杂,目前没有统一、精确的强度模型来描述材料的强度准则。材料的强度准则主要有两种探索途径,即宏观强度理论和细观强度理论途径。宏观强度准则根据传统的强度理论推广得到,寻求一个以单向应力强度为参数的准则方程,以拟合材料在任意应力状态下的强度,因它不涉及材料的具体破坏形式和机理,故又称之为唯象强度准则。一般是从大量试验结果的观察中,选取影响较大的因素,建立起表达强度条件的数学关系式。该方法形式简单,使用方便,目前使用比较普遍。细观强度准则认为,由于涂层织物类膜材料是由纤维、面层和涂层组合而成,本质上是结构物,它的破坏形式和机理与常规均质材料完全不同。主要是它不像常规均质材料那样,发生宏观均匀代表单元的整体破坏,而是以细观不均匀结构特征,在纤维、涂层和它们的界面三者中,发生薄弱环节的破坏形式。细观强度准则是以材料细观层次(即基体、纤维和界面)的破坏形式和机理为基础,建立一个以细观组分性能为参数的强度准则方程,用以分析材料的破坏强度。该方法主要应用在纺织行业中,由于表达式比较复杂,在实际工程应用中受到限制。
 
在工程设计中,研究、设计人员习惯套用复合材料中的强度准则来解决相关问题。文献强度理论百年总结[J].力学进展,2004,34 (4),529-560和纤维增强复合材料性能[J].玻璃钢,1998,38 (2),36-4公开了复合材料中常用的几种比如大主应变准则、大主应力准则、Tsa1-Hill 准则、Tsa1-Wu 准则、Norris 准则、Yeh-Stratton 准则、Hoffman 准贝U、Hashin准则等。其中大主应变准则、大主应力准则已经被证明不适合用于涂层织物类膜材,Tsa1-Wu准则是属于张量多项式准则,几乎涵盖了所有的强度参数,预测效果较好,但是表达式过于复杂,参数求解过于麻烦,不便于应用。而其他准则各有侧重点,其中,Yeh-Stratton准则、Hoffman准则和Tsa1-Hill准则应用较多。当用于只受拉不受压的材料(比如本专利涉及到的涂层织物类膜材)时,Hoffman准则和Tsa1-Hill准则形式一致。
以下为三种常用方法的判定公式:


 
其中,三个公式中的同一符号表不同一含义,即:X、Y为材料经、纟韦向抗拉强度,S为材料的抗剪强度,ox、Oy为材料沿经、纬纤维方向的正应力,T为材料的剪应力。Yeh-Stratton准则中的Bxy为与涂层织物类膜材有关的参数,可以通过试验结果拟合得到。
 
在判断验证膜材料强度准则,一般需要通过试验构造复杂应力状态来实现。目前采用多的是偏轴拉伸试验。现有研究结果表明:现有方法在进行膜材料的偏轴拉伸强度预测时,当纤维方向和裁剪方向的夹角较大时,预测结果和试验结果的吻合度较高,而当纤维方向(经、纬向)和裁剪方向的夹角较小时,预测结果较差。这可能跟织造和涂层过程中经纬纱屈曲转换所造成的经纬向结构不平衡现象有关。由于纤维强度的离散性,部分纤维将会发生断裂,造成纤维的局部应力集中,从纵向拉伸到小角度偏轴拉伸,膜材料的破坏从纤维断裂破坏形式的过渡到纤维和界面控制破坏的形式,且涂层的存在导致在拉剪混合作用下,材料强度下降较快,尤其是在受力方向偏离纤维方向角度较小的时候。
 
文献PTFE膜材的单向拉伸性能[J].建筑材料学报,2010,13(4),639-644涉及了圣戈班公司生产的Sheerfill-1膜材进行了偏轴拉伸试验并采用Tsa1-Hill准则对偏轴拉伸强度进行了预测。发明人结合几种常用的现有方法和试验结果进行了对比分析,得到的分析结果如图2所示。其中,图中曲线a为采用Hashin准则对膜材偏轴拉伸强度的预测结果,曲线b为采用Tsa1-Hill准则的预测结果,曲线c为采用Yeh-Stratton准则的预测结果。结果表明:当偏轴角度为30度、45度和60度时,现有方法的预测结果和试验结果吻合度很好;而当偏轴角度为15度和75度时,现有方法的预测结果和试验结果相差比较大。

 
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