雙軸向經編類膜材PVDF8028偏軸強度及剛度特征

陳建穩(wěn) 周涵 陳務軍 張寧 王明洋 孫巍巍

摘? ?要：雙軸向經編類膜材具有多層次的復合結構，為深入揭示其強度及剛度特征，以高性能膜材Seaman PVDF8028為研究對象，進行了7個偏軸角度（梯度15°）的拉伸力學性能試驗，獲得了各角度下應力-應變關系、強度及變形數(shù)據(jù)，推導了相應彈模-應變關系并對其衍變規(guī)律進行了深入研究.研究表明：雙軸向經編類膜材PVDF8028為典型的非線性、各向異性材料;各角度下的變形剛度特征差異明顯，且表現(xiàn)出規(guī)律性的衍變特征;應變全域內的應力及彈模關系曲線呈現(xiàn)出特征鮮明的3階段：起始線彈性段、應變強化段及應力強化段;此外，膜材的強度隨角度變化表現(xiàn)出典型的“W”形規(guī)律，異于Tsai-Hill等強度準則的“U”形規(guī)律.所得研究結論可為雙軸向經編類膜材變形強度預測及相應膜結構的設計分析提供有益參考.

關鍵詞：雙軸經編織物;力學性能;偏軸;強度;剛度

中圖分類號：TU353;TU502.6? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2019）09—0054—08

Abstract： To reveal detailedly the strength and stiffness characteristics of? biaxial warp-knitted fabrics，which contain multi-layered composite structures，high performance biaxial warp-knitted fabric Seaman PVDF8028 was taken as the research object，and seven tensile tests of off-axis angles with a gradient of 15° were performed. Based on the obtained stress-strain relationship， strength and deformation data of different angles， the relationship between elastic modulus and strain was deduced， and its evolution was analyzed minutely. The results show that biaxal warp-knitted fabric PVDF8028 is a typical nonlinear and anisotropic material. Stiffness characteristics of different angles present obvious differences and evolve regularly. In the whole tested strain range， the stress-strain relationship and elastic modulus-strain relationship exhibit three distinct sections， including the initial linear elastic section，strain hardening section， and stress hardening section. Additionally，there is a “W” shaped relationship between tensile strength and off-axis angles， which is different from the “U” shaped relationship of Tsai-Hill strength criterion. The results can provide some useful references for strength prediction and deformation analysis of biaxial warp-knitted fabrics， as well as the design and analysis of membrane structures.

Key words： biaxial warp-knitted fabrics;mechanical properties;off-axial;strength;stiffness

膜結構是一類新式空間結構，因其在節(jié)能、綠色、適用性及施工速度等方面的突出優(yōu)勢，已逐漸發(fā)展成為體育館、展覽館等大型公共建筑的重要形式[1-3]. 近年來，空氣質量日益惡化，人們的健康意識不斷提高，可隔絕霧霾等污染、智能凈化空氣的充氣膜結構逐漸受到青睞，因此對其設計、施工及材料力學性能分析等方面的研究成為熱點[4-6].

傳統(tǒng)平紋織物類膜材采用經緯紗上下交織方式，而雙軸向經編類膜材采用經緯平直鋪紗并配合圈紗固定，后者在拉伸、扭曲等變形的穩(wěn)定性、剛度、強度等機械性能的發(fā)揮水平方面具有優(yōu)勢，目前，在歐美等國的氣承式膜結構中廣泛應用[7]. 雙軸向經編類膜材作為充氣膜結構外膜的主體材料[8]，起著承擔外載和內壓的關鍵作用，其力學性能對于充氣膜結構設計分析及運行維護具有重要意義.

目前，國內外對于平紋織物膜材的力學性能有較深入的研究[9-15]，而在雙軸向經編類膜材方面的研究較少[16-18]，尤其在偏軸拉伸力學變形及強度特征方面的研究尚不足[19-22]. 雙軸向經編類膜材具有特殊的經編組織結構，為典型的各向異性材料，其力學性能受偏軸角度影響顯著.另外，在織物膜材的強度準則適用性及剛度特征方面國內外學者也存在分歧[23-25].為有效揭示雙軸向經編類膜材的力學響應特征，提高充氣膜結構設計分析的可靠性，有必要開展雙軸向經編類膜材偏軸拉伸力學性能的研究.

本文以高性能雙軸向經編類膜材Seaman PVDF8028為研究對象，針對7個角度的偏軸試件進行拉伸試驗，系統(tǒng)分析膜材的變形、強度特征及力學參數(shù)隨偏軸角度的衍化規(guī)律，所得結論及所提方法可為充氣膜結構的設計分析及雙軸向經編類膜材的優(yōu)化設計提供參考.

1? ?試驗概況

1.1? ?試驗材料

試驗采用高性能Seaman PVDF8028建筑膜材，厚度為0.74 mm，面密度為949 g/m2，膜材采用雙軸向經編的工藝制造而成，其經緯向紗線密度為8.8×7.6根/cm（經×緯）. PVDF8028膜材的結構示意見

1.2? ?試件尺寸

試驗采用啞鈴型試件，試件尺寸及分布見圖2.試件總長度為280 mm，有效區(qū)域為180 mm×40 mm.以經向為基準方向，偏軸角度共7個：0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°.每個角度3個試件，以確保試驗的可靠性.

1.3? ?試驗環(huán)境

試驗室溫度為（20±2）℃，相對濕度為65%±3%.

1.4? ?試驗設備及加載制度

試驗設備采用雙柱落地式電子萬能試驗機UTM4000（圖3）. 試驗參考《膜結構檢測技術規(guī)程》[26]，預張拉5 N，常速拉伸至破壞，拉伸速率為50 mm/min，引伸計標距為50 mm.

2? ?偏軸拉伸應力-應變關系

2.1? ?應力-應變關系模型

不同偏軸角度下PVDF膜材的應力-應變曲線如圖4所示.

由圖4可知，膜材的非線性特征顯著，且隨偏軸角度的改變而變化明顯，同時，膜材表現(xiàn)出明顯的各向異性，各角度下材料的變形及剛度差異較大.各角度間雖存在較大差異，但均可用三段式描述其應力-應變關系：起始線彈性段、應變強化段、應力強化段，如圖5所示，具體描述如下：

1）OA（起始線彈性段）：第一個準線性段，變形較小，線性特征較明顯;此時高分子涂層和基布纖維共同承擔外載.隨著偏軸角度的增大，起始線彈性段的應變范圍先減小后增大，其中45°時最小.

2）AB（應變強化段）：非線性段，應變增加較快，應力增加較慢，涂層基布二者協(xié)調受力.隨著應變的增大，涂層基布出現(xiàn)脫離現(xiàn)象，應力逐漸由基布承載;偏軸角度下剪切效應明顯，剪切效應的存在使變形增長較快，且隨著偏軸角度的增大，應變強化段的應變范圍先增大后減小，45°時出現(xiàn)最大值.

3）BC（應力強化段）：第二個準線性段，承載力主要由紗線纖維承擔，紗線剛度較大，強度發(fā)揮迅速，后期試件出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，接近材料承載極限.應力強化段的應變范圍各角度存在差異，其中45°時最小.

2.2? ?強度與變形特征

膜材抗拉強度和斷裂延伸率隨偏軸角度的變化規(guī)律見圖6.

由圖6可知，PVDF8028膜材表現(xiàn)出了明顯的各向異性特征，具體特征總結如下：

1）當偏軸角度為0°和90°時膜材具有最大的抗拉強度和最小的斷裂伸長率，且經向的抗拉強度略大于緯向，經向的斷裂延伸率小于緯向.

2）隨偏軸角度的增大，膜材的抗拉強度整體呈“W”形變化規(guī)律，45°時出現(xiàn)一個峰值，15°時最小，這與Tsai-Hill等強度準則的“U”形規(guī)律[27-28]存在明顯差異.

3）膜材的斷裂延伸率在45°時最大，關于45°方向存在對稱性，且隨著偏離對稱軸角度的增大而減小.

在拉伸過程中，紗線同時受拉力和涂層界面黏合力的約束，拉伸過程中紗線與黏合界面逐漸發(fā)生脫黏，主要的紗線被拉斷，但還有一部分紗線被拔出. 與軸向試樣的純拉伸破壞相比，偏軸試樣混合拉伸與剪切作用，更容易導致拔紗.特別是偏軸角度為45°時，紗線的拉拔過程比斷裂過程需要消耗更多的能量，且45°時紗線在經緯紗線發(fā)揮協(xié)同作用下抵抗外力，因此相較于其他偏軸角度45°抗拉強度會呈現(xiàn)一個局部峰值.

3? ?偏軸彈模-應變關系

3.1? ?彈模-應變關系

彈模-應變關系曲線可完整地包含應力-應變關系曲線所有力學信息，且在材料力學的細節(jié)響應上更加直觀有效.因此，本文根據(jù)應力-應變曲線通過高次擬合、求導獲得各偏軸角度下的彈模-應變曲線，如圖7所示.

圖7顯示，各個偏軸角度下的彈模-應變曲線差異顯著，圖像起伏特征明顯，存在顯著的峰、谷區(qū)域，且隨偏軸角度存在一定的衍化規(guī)律.用圖5中的分界點可將彈模-應變曲線劃分為3個區(qū)域，與應力-應變曲線的3個階段一一對應，如圖8所示.

由圖8可知，隨著應變的增加，在第1階段膜材的彈性模量明顯下降，但仍然為峰值段;在第2階段膜材的彈性模量下降至谷底，然后穩(wěn)步上升，膜材處于波谷段;在第3階段膜材的彈性模量上升至峰值，然后又有所下降，膜材處于第二個峰域.當應變增加時，每個偏軸方向的彈模-應變曲線都發(fā)生了明顯的波動，但角度越接近45°，曲線的波動越弱.依據(jù)特征，可將不同偏軸角度下的彈模-應變曲線劃分成兩類：

1）（0°、15°、75°、90°）：由于對應的應力-應變曲線的起始線彈性、應變強化和應力強化3階段完整，所以彈模-應變曲線有完整的波谷段.彈性模量隨著應變增大先減小后增大再減小，存在3個特征階段.

2）（30°、60°、45°）：由于對應的應力-應變曲線的起始線彈性階段較短，應力強化階段已不明顯，所以彈模-應變曲線的第一個波峰不完整，且第二個波峰不明顯.彈性模量隨著應變增大先減小后增大.

圖9展示了典型偏軸角度下彈模-應變關系衍化特征.其中Ⅰ、II、Ⅲ和Ⅳ分別表示0°、15°、30°和45°的彈模-應變曲線.

如圖9所示，各角度的彈模-應變關系曲線存在密切關聯(lián)，各角度均可由0°關系曲線衍化而來.15°、30°、45°的彈模-應變曲線均可在0°彈模-應變曲線上尋得根源.隨著偏軸角度的增加，彈模-應變曲線在0°完整曲線中所占的比例逐漸減小，且初始值和終點值不斷減小，第二個波峰段逐漸在彈模-應變曲線中消失.上述衍化關系反映了偏軸向與材料主向間復雜而密切的關聯(lián)性.

3.2? ?彈性模量計算

為了更加詳細地分析彈模-應變關系，本文選取4種彈模取值方法進行彈模計算，包括切線模量、割線模量、最小二乘法模量和積分模量，物理示意圖見圖10（應力范圍為[0，σu]，σu為抗拉強度）. 其中，積分模量為本文基于彈模-應變分析新提出的模量計算方法，其表達式為：

圖11為4種方法求解的彈性模量的比較圖. 由圖11分析可得：

1）4種方法求出的彈性模量經向的值均最高，偏軸角度45°時最小.

2）不同偏軸角度上膜材的彈性模量關于45°具有一定的對稱性.

3）當偏軸角度較?。?°、90°、15°和75°）時，4種方法求出的彈性模量差異較大;當偏軸角度較大（30°、45°和60°）時，4種方法求出的彈性模量值接近.

4）由于15°和30°方向膜材中經向紗線與拉伸

時受拉方向的一致性較高，主要是經向紗線承受力的作用，而60°和75°方向膜材主要是緯向紗線受力，故15°和30°方向膜材的彈性模量分別大于60°和75°方向的彈性模量.

選取擬合函數(shù)積分法的計算結果與正交各向異性板彈性理論[29-30]的預測值進行比較，結果見圖12.由圖12可知，除15°外正交各向異性板的彈性理論能對膜材的彈性模量做出較好的預測.

4? ?結? ?論

本文對典型經編織物膜材Seaman PVDF8028進行了一系列偏軸角度的單軸拉伸力學性能試驗，得出如下結論：

1）膜材具有明顯的非線性、各向異性的特征.偏軸拉伸荷載作用下的應力-應變曲線可分為3個典型階段，曲線的非線性隨偏軸角度的變化存在漸變特征.

2）經編織物類膜材的抗拉強度并非遵守Tsai-Hill等強度準則的“U”形規(guī)律，而是呈“W”形變化規(guī)律，反映了與常規(guī)材料存在內在差異性.

3）彈模-應變關系曲線可直觀有效地呈現(xiàn)膜材的剛度隨應變及角度的衍變規(guī)律;剛度在應變全域內非線性更為顯著，峰谷分布分明、起伏特征顯著，且各偏軸角度間存在密切的關聯(lián)性，其曲線均可溯源至0°曲線.

4）擬合函數(shù)積分法可準確地確定各應變狀態(tài)下的剛度特征，有效呈現(xiàn)膜材剛度的細微變化;在復雜膜結構的精細化設計分析中具有一定應用價值.

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