PES／PVC膜材料拉伸性能的各向异性及破坏准则

PES／PVC膜 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 拉伸性能的各向异性及破坏准则 PES,PVC膜材料拉伸性能的各向异性及 破坏准则 复舍材料 堋‰ 第22卷第6期12月2005年 Vo1.22No.6Deeember2005 文章编号:1000—3851(2005)06—009805 PES/PVC膜材料拉伸性能的各向异性及破坏准则 易洪雷,丁辛,陈守辉 (东华大学纺织学院,上海200051) 摘要:以PES/PVC膜材料单轴向拉伸试验为研究基础,对膜材料的0.,15.,30.,45.,60.,75.和9O.七 个面内方向上的拉伸试验特征进行了分析,证明了采用三次加载后的应力一应变曲线可以用来描述膜材料的弹性 力学性质,且测得的膜材料弹性常数符合正交各向异性本构关系.为获得膜材料在复杂应力状态下的断裂强度, 对膜材料拉伸断裂破坏的机理及适用的相关强度准则进行了讨论.结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,利用Tsai-Hill强度准则能对纯拉 或纯剪切型破坏模式下的膜材料断裂强度做出较好的预测,但该准则不适合对拉剪混合型破坏模式下膜材料断 裂强度的预测. 关键词:建筑膜材料;拉伸性能;各向异性;破坏准则 中图分类号:TB330.1文献标识码:A oRTHoTRoPICBEHAVIoRANDSTRENGTHCRITERIoNoFPES/PVC MEMBRANEMATERIALSUNDERTENSILELoADING YIHonglei,DINGXin,CHENShouhui (CollegeofTextiles,DonghuaUniversity,Shanghai200051,China) 建筑膜材料是一种通过在织物基布上涂敷树脂 或橡胶等基体材料而制成的柔性纺织复合材料.上 世纪70年代以来,膜结构在世界各地蓬勃兴起, 对膜材料的需求量进一步扩大,目前膜材料已成为 继砖石,木材,钢材,混凝土和玻璃之后的第六大 建筑材料.在膜结构工程中,膜材料的各向异性力 学性能直接关系到膜结构的外形 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 及建筑安全 性,故在进行载荷分析与裁剪设计时,必须考虑膜 材料的各向异性. 有关膜材料各向异性力学性能的研究已有多篇 论文发表.Day_1采用非线性方程组来拟合FG/ PTFE的双轴拉伸应力一应变关系;日野吉彦等] 用塑性理论导入当量应力概念,由几个应力对比进 行分区线性化,然后确定膜材料的弹性常数;南宏 和等则通过对双轴拉伸试验所得的应力一应变曲 线进行内插,计算应力比以获得膜材料的各向异性 上述研究以膜材料的双轴拉伸应力一应 本构关系. 变行为为基础,所得到的膜材料各向异性本构关系 对膜结构设计有很好的指导作用.然而双轴向拉伸 试验设备昂贵,计算指标复杂,其工程实践的意义 被削弱.最近,王臣_4],卫东等[5利用单轴向拉伸 试验获得PES/PVC膜材料沿经向,纬向,45.方 收稿日期:2004—12-20;收修改稿日期:2005—0328 基金项目:上海市自然科学基金(03ZR14007);中国博士后科学基金 (2003034281){上海市博士后科研资助计划(200302) 通讯作者:丁辛,教授,主要从事纺织复合材料的制备和性能研究Tel:(021)一 62373651E-mail:xding~dhu.edu.cn ,,一,,,,一 . . .耋如一一一,一,一一m一一,,一,一一一啪.,?hm,,一?,?_詈.姐一一 一,一一.一耋三一删 一?一一,,,一一一一,,,一一,一一一 一一一一,一,,,,一一一一川m啪,一一一一,一,, 一一咖?,,一一一,,一一, 易洪雷,等:PES/PVC膜材料拉伸性能的各向异性及破坏准则 向的工程弹性常数及面内剪切模量,以简单拉伸试 验获得了膜材料的弹性常数.但在他们的研究中, 未给出使用上述方法的合理性证据.膜材料拉伸性 能的各向异性还体现于膜材料拉伸断裂强度,然而 目前对其研究尚处在简单估算阶段,导致在膜结构 设计中必须采用较大的安全系数j. 本文作者以PES/PVC膜材料单轴向拉伸试验 为研究基础,对膜材料在0.,15.,30.,45.,60., 75.和9O.七个面内方向上的拉伸试验特征进行了分 析.此外为获得膜材料在复杂应力状态下的断裂强 度,本文中还讨论了膜材料拉伸断裂破坏的机理以 及适用的相关强度准则. l试验材料与试验方法 1.1试验材料 试验采用两种规格的PES/PVC膜材料,有关 膜材料的技术参数列于表1.其中,1试样用于测 试膜材料的弹性常数,2试样用来测试膜材料的 拉伸断裂强度与断裂伸长率. 1.2试验方法 以膜材料经向为基准方向,分别沿偏离基准方 向0.,15.,30.,45.,60.,75.和9O.方向剪取试 样.弹性常数测试采用条形试样,外形尺寸为 400film×50mm;拉伸断裂强度与断裂伸长率测 试采用哑铃形试样,外形尺寸为400mm×40mm. 试验在电子多功能材料试验机上进行,加载速度均 为20ram/rain,有效样本数为3. 膜材料在拉伸应力一应变关系上表现为较强的 非线性性质.为获得有效的弹性常数,本研究借 鉴了双轴向拉伸试验的通常做法],对试样进行 三次加载卸载试验,以最后一次拉伸试验为依据 计算膜材料的弹性常数.在三次加卸载试验中, 最高载荷均设定为膜材料拉伸强度的2O.其中 在第一次加载后,保持当前载荷值约3rain后再 卸载,以快速稳定加载后试样中产生的残余变 形.按照上述加卸载模式,膜材料在前两次试验 中所产生的残余变形,大体上与实际膜结构初始 加载时在膜材料上所产生的位移相当(正常条件 膜结构中膜面应力一般控制在其拉伸强度的 下, 12.5以内Es3),因此第三次加载时残余变形就 与膜结构中膜材料实际的应力一应变关系较为接 近.利用第三次加载后的应力一应变曲线,采用最 小二乘法计算试样在不同偏轴角度下的张拉刚 度,试验中同时采用照相光学法[8]对试样的泊松 比进行测量.面内剪切刚度(G?,)则按下式计 算得到_9j: ., Gf?t一}l_(1)1TI)45. 式中:E..,‰.分别为45.偏轴拉伸弹性模量和泊 松比;t为膜材料厚度. 2试验结果与讨论 2.1膜材料弹性常数的各向异性 三次加卸载试验中得到1试样的应力一应变曲 线如图1所示.为了清晰起见,从0.试样开始, 图中每组试验结果在横座标上平移5%的座标刻 度.这样,从左至右七组曲线分别对应于O.,15., 3O.,45.,6O.,75.和9O.拉伸试验的应力一应变曲 线.由图1可看出,试样在第一次加载的应力一应 变关系呈明显非线性,尤其是在偏轴拉伸情况下更 是如此.经过二次加卸载试验后,试样应力一应 Z \ ' C Extensionpercentage/% 图1正轴与偏轴试样三次加卸载试验中的应力应变曲线 Fig.1Stress—straincurvesofon—andoff-axisspecimens underthreecyclesoftensileloadingandunloading 表1试验材料的技术参数 270800 复舍材料亏握 变曲线的线性度得到了提高,而且第三次的应力一 应变曲线与第二次基本一致,表明第三次加载后 的应力一应变曲线可以用来描述试样的弹性力学性 质. 对膜材料试样在七个方向上的张拉刚度,剪切 刚度及泊松比进行了测试,测试结果如图2所示. 为了对膜材料的正交各向异性作出判断,图中还给 出了相应偏轴角度下的理论值.这里的理论值指以 两个正轴及45.偏轴拉伸刚度,泊松比为已知量, 采用二维正交各向异性弹性力学本构关系lg得到的 计算值. 由图2可见,膜材料张拉刚度,剪切刚度及 泊松比的测定值与理论值基本一致,证明了采用三 次加载后的应力一应变曲线获得的膜材料弹性常数 符合正交各向异性本构关系. Off-axisangle/() 图2膜材料张拉刚度,剪切刚度及泊松比的理论值与试验值 Fig.2Testingresultsandtheoreticpredictionoftensile stiffness.shearstiffnessandPoisson'sratioof themembranematerial 2.2膜材料拉伸强度的各向异性 2.2.1膜材料的拉伸应力一应变曲线 2膜材料试样的典型拉伸应力一应变曲线如图 3所示.由图3可见,膜材料在不同方向拉伸性能 的变化规律:在0.(经纱方向)拉伸时拉伸模量达 到最大值,而在45.方向时最小;沿90.(纬纱方 向)拉伸时,由于纬向纱线存在较大程度的屈曲, 故膜材料的初始模量较小,而在拉伸的后半段,当 纬纱充分伸直后,膜材料的纬向拉伸模量主要取决 于基布中纬纱的模量和纬纱密度.由于纬密与经密 基本相同,这时纬向拉伸模量就比较接近于经向 了.此外从图中还可见,膜材料拉伸应力一应变曲 线族的对称性,即0.和9O.,15.和75.,3O.和6O. 时的应力一应变曲线相近似.这种对称性可以从基 布的准平衡组织结构的设计中得到解释. 图3试样在不同方向上拉伸的应力一应变曲线 Fig.3Stressstrainbehaviorofthesamplesin 2.2.2膜材料拉伸断裂强度与断裂伸长率的取向 分布 从图3中还可见膜材料拉伸断裂强度与断裂 伸长率的取向分布情况.沿经向(O.)拉伸时,试样 断裂强度最大,沿纬向(90.)拉伸时次之,而在偏 轴拉伸情况下断裂强度出现较小值.试样断裂伸长 率的分布与上述规律相反,即试样在偏轴拉伸情况 下的断裂伸长率较大,而在经向拉伸时试样出现最 小值. 由于膜材料基布中经纬纱粗细和密度基本相 同,试样经向断裂强度大于纬向强度则意味着膜材 料中经纱强度利用率较纬纱高.基布的制织过程 中,受上机张力控制,经纱几乎处于完全伸直的状 态,故各根经纱间的断裂一致性较高,从而使膜材 料在经向表现高强低伸的断裂特征.另一方面,较 大的经纱上机张力使得纬纱产生了较大的屈曲,并 造成纬纱断裂的一致性降低,表现在膜材料纬向拉 伸的断裂强度较经向低,而断裂伸长率则较大. 2.3膜材料的拉伸断裂机理及强度准则 2.3.1膜材料的拉伸断裂机理 图4是2试样在不同加载方向上被拉断后的 断口形态.图中短划虚线代表膜材料经向,点虚线 代表试样断口裂纹扩展方向,粗实线代表试验加载 方向;0为偏轴角;为断12I裂纹扩展方向与试验 加载方向的夹角.考察图4所示膜材料经拉伸断 裂后的断口形态,可以发现以下三种破坏情形: 一一_?u.N一\l_0一釜0一 习c{}需.:JPVC腔材料再能#I'J件厦艘坏准 【1)试样纯拉断艘坏,其特祉越所有纤维都侄同 一 位置断裂,断几与JJ?裁'向相互垂商陵情况一 般发生于I轴拉仲试验-{(二=1)lf1J方向拉仲): (2)拭样呈剪埘破坏,其断LjJ111戟力向约呈口或 ?角其特足拄而内曰『?J的怍用下.增强 纤维侬发从基体(涂层材料j-}1}?1拔fU来『m导豉膜材 料破土1:山于在陵情况F,试样破H一般是发生于 基体与纤维界面问.基竹中纤州:Jr未埕断裂.冈 此膜材料的粘台馒度存很大程度上决定了膜柑料的 偏轴拉忡强度;'试样拉剪混台破坏.其断口 仍与jjIj戟向近似呈0或00葡其特征是在拉 『一力与面剪应力的『作用下,试洋边部纤维从 基体(协层材料)I被抽拔山米.r1r部删出现部抒增 强纤维被拉断m』导致膜材料最终发生破'bl:,如小偏 墙的偏轴拉忡戚骑(口一l'或一?) 简而:之,对于偏车l{i拉忡试骑,破坏总是沿平 |于或垂直于基布的主轴方向.1_发十强度较低晌 纤维或发,卜于其与涂层计料腑界L山于拉出力 与剪应力的共同作州.JJu速了膜材料的破辫:而使膜 材料是表现…低干单一应力用_l1『所具柯的拉 断裂强度 2.:;.2囊材c}lI拉忡断裂强睦准别 膜材料是一种秉r『:纺织复合材料.已被广泛使 坩『]勺复台材料强度水则埘J强度准则的确定具有重 要参考价值考虑到I'mH-_】慢崖摊『』{lJ比萁它强 度准则使川力他.而I泼准则在判据式叶1增加r材 料纵横应力的交互顶,可以部分引入复杂应力状态 下各应力的相互作刚.提高r浚准则的理论与实用 价值乖史中采用'rsaiHil【强度准则分析膜材料 试样的拉伸睦斤裂强睦.FsaiHitl强度准则住偏轴 单向加载时的表达式为'. l一 +(士未)in-'0cose0+Slrl-(2)一十()丁 式中:为偏轴拉伸强度;,】s分别为纵向 批仲强度,横向拉伸强度与面内翦田强度;为试 样的偏轴角度 上述强度准则中x,y可通过简单拉伸试验 直接得到.f对于剪切强度S,同前国内外尚未找 到合适的试验方法.本文中利用已测得的若干加载 方向的断裂强度.采用平均化山法.通过式(2) 计算得到值.再将试验得到的试样不同n?载 方向上ff{J断裂强度Tsai—HiII强度准则进行比较. 结果见5.从图中可以看到.在太多数情况下. TsaiHilI强度准则都能对其强度做2_}{较好曲预测 或一.).泼准 世小偏角的偏轴拉伸试验(口一1l. 则对试样断裂强度的预测出现_r一些偏差结合对 膜材料断裂f』【理分析,发现试样住上述两方向拉伸 时的断裂恰属拉剪混台破坏模式.这表州_rsaj Ilill等强度准JljIJ能对纯拉或纯剪I_=JJ型破坏模式下的 膜材糕断裂强度做出较好的fCiN.而对拉剪混台型 破坏模式下的膜材料断裂强度舯预删l一则显得很 成功 【)ir,2c1lonolcrackgrowitu: 1)icIlon_'!warb I材蚪试佯『刚奇伸^向L的断裂形志 FigF.-…rfc;,nfigurationofh~mpiesLndiffer~-:ltloadlnlgdlrecli【n 复舍材料亏报 图5膜材料强度预测与测试结果的比较 Fig.5Comparisonofthetestingandpredictingresults oftensilestrengthofthesamples 3结论 (1)膜材料的拉伸性能具有强烈的正交各向异 性.试验表明,沿经向的膜材料的拉伸断裂强度最 高,沿纬向次之,断裂强度的最小值出现在偏轴拉 伸的条件下.试样断裂伸长率的分布与上述规律相 反,即断裂伸长率的最大值出现在偏轴拉伸的条件 下,在经向拉伸时断裂伸长率出现最小值,而沿纬 向的断裂伸长率始终高于经向. (2)试样在第一次单轴向加载的应力一应变关系 呈明显非线性.经过三次加卸载试验后,试样应力一 应变曲线的线性度得到提高.理论与试验对比分析 显示,采用第三次加载的应力应变测得的膜材料张 面内剪切刚度和泊松比符合正交各向异性 拉刚度, 的本构关系.这表明本文中采用的单轴向拉伸试验 是获得膜材料弹性常数较好的一种测试方法. (3)通过对膜材料拉伸断裂后的断口形态分 析,发现膜材料试样呈单纯拉断型,剪切型以及拉 剪混合型等不同破坏模式.将不同偏轴角下膜材料 拉伸断裂强度试验值与理论预测值进行比较,结果 表明,试样如果发生纯拉或纯剪切型破坏,Tsai— Hill强度准则能对其强度做出较好的预测,但如果 试样出现拉剪混合型破坏模式,则Tsai—Hill强度 准则预测结果偏高.因此进一步研究膜材料的拉伸 断裂机理,并提出新的适用于拉剪混合型破坏模式 的膜材料强度准则是必要的. 参考文献: [1]DayAS.Stressstrainequationsfornonlinearbehaviourof coatedwovenfabrics[A].In:HekiK,ed.Proceedingsof the1ASSSymposiumonMembraneStructuresandSpace Frames[C].Amsterdam:ElsevierSciencePublishers, 1986.17—24. [2]El野吉彦,石井一夫.膜樽造解析忙扣c于弓材料非缘性抨 偾[A].见:El本膜樽造协会学术委员会.膜樽造研究渝文 集(No.8)EC].柬京:El本膜樽造协会,1994.35—49. [33南宏和,山本千秋,濑川信哉,等.多段缘形近似汇弓膜 材料非绿形解析幻弹性{夕算定法[A].见: El本膜樽造协会学术委员会.膜樽造研究渝文集(No.10) Ec].柬京:El本膜樽造协会,1996.45—51. [4]王臣.建筑膜材力学特性分析及试验研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学,2002.37—49. [5]卫东,王臣,向阳,等.建筑膜材的材性试验研究 [J].空间结构,2002,8(1):37—43. WeiD,WangC,XiangY,eta1.Experimentalstudyonma— terialpropertiesofstructuralfabric[J].SpatialStructures, 2002,8(1):37—43. [6]关富玲,廖理,夏劲松,等.膜结构发展综述——理论, 设计,施工EJ].钢结构与建筑业,2002(2):31—38. 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