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1、(10)申请公布号 CN 103364274 A (43)申请公布日 2013.10.23 CN 103364274 A *CN103364274A* (21)申请号 201310296800.8 (22)申请日 2013.07.15 G01N 3/08(2006.01) (71)申请人 中国矿业大学 地址 221008 江苏省徐州市大学路 1 号中国 矿业大学科研院 (72)发明人 张营营 张其林 杨鑫 陈鲁 (74)专利代理机构 南京瑞弘专利商标事务所 ( 普通合伙 ) 32249 代理人 杨晓玲 (54) 发明名称 一种用于涂层织物膜材破坏强度的判定方法 (57) 摘要 一种用于涂层织物。
2、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。
3、强度模型存在的问题。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103364274 A CN 103364274 A *CN103364274A* 1/1 页 2 1. 一种用于涂层织物膜材破坏强度的判定方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： （1） 针对涂层织物类膜材， 裁成长条形试件 ； （2） 采用偏轴拉伸试验方法进行拉伸试验， 即裁剪试件时， 将裁剪方向与纤维方向呈夹 角 ； 试验时沿着材料裁剪方向施加拉力， 此时材料会受到拉力和剪。
4、力的共同作用 ； （3） 当试验拉力达到不断加大， 使涂层织物类膜材发生破坏时， 涂层织物类膜材的经 向、 纬向两个主轴方向的正应力、 剪应力满足下式 ： 式中， X、 Y 为材料经、 纬向抗拉强度 ； S 为材料的抗剪强度 ； x、 y为材料沿经、 纬纤维方向的正应力， 为材料的剪应力 ； x cos2， y sin2， cossin， 其中 为材料垂直于拉伸方向的拉应力， F/Ac， F 为偏轴角度为 的试件受到的拉力 ； Ac为偏轴拉伸试件的横截面面积 ； A 为反映涂层织物类膜材纤维方 向正应力之间相互关系的参数， B 为反映涂层织物类膜材纤维方向正应力与剪应力相互关 系的参数 ； （。
5、4） 通过判断各应力分量 （x、 y、 ） 是否满足该表达式 (1) 即可判断材料是否达到 破坏状态。 权 利 要 求 书 CN 103364274 A 2 1/5 页 3 一种用于涂层织物膜材破坏强度的判定方法 技术领域 0001 本发明涉及一种判定方法， 尤其是一种适用于建筑膜结构中的用于涂层织物膜材 破坏强度的判定方法。 背景技术 0002 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。
6、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。 0003 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。 0004 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。
7、， 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。 0005 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。
8、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， 发生最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。 0。
9、006 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最大主应变准则、 最大 主应力准则、 Tsai-Hill 准则、 Tsai-Wu 准则、 Norris 准则、 Yeh-Stratton 准则、 Hoffman 准 则、 Hashin 准则等。其中最大主应变准则、 最大主应力准则已经被证明不适合用于涂层织 说 明 书 CN 103364274 A 3 2/5 页 4 物。
10、类膜材， Tsai-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 Tsai-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 Tsai-Hill 准则形式一致。 0007 以下为三种常用方法的判定公式 ： 0008 Hashin 准则或 0009 Tsai-Hill 准则 0010 Yeh-Stratton 准则 0011 其中， 三个公式中的同一符。
11、号表示同一含义， 即 ： X、 Y 为材料经、 纬向抗拉强度， S 为材料的抗剪强度， x、 y为材料沿经、 纬纤维方向的正应力， 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。 0012 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 采用最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 。
12、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。 0013 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-I膜材进行了偏轴拉伸试验并采用Tsai-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。
13、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 Tsai-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。 发明内容 0014 技术问题 ： 本发明的目的是针对现有技术中在的问题， 提供一种方法简单、 操作方 便的用于涂层织物膜材破坏强度的判定方法。 0015 。
14、技术方案 ： 本发明的用于涂层织物膜材破坏强度的判定方法， 包括如下步骤 ： 0016 （1） 针对涂层织物类膜材， 裁成长条形试件 ； 0017 （2） 采用偏轴拉伸试验方法进行拉伸试验， 即裁剪试件时， 将裁剪方向与纤维方向 呈夹角 ； 试验时沿着材料裁剪方向施加拉力， 此时材料会受到拉力和剪力的共同作用 ； 0018 （3） 当试验拉力达到不断加大， 使涂层织物类膜材发生破坏时， 涂层织物类膜材的 说 明 书 CN 103364274 A 4 3/5 页 5 经向、 纬向两个主轴方向的正应力、 剪应力满足下式 ： 0019 0020 式中， X、 Y 为材料经、 纬向抗拉强度 ； S 为。
15、材料的抗剪强度 ； x、 y为材料沿 经、 纬纤维方向的正应力， 为材料的剪应力 ； x cos2， y sin2， cossin， 其中 为材料垂直于拉伸方向的拉应力， F/Ac， F 为偏轴角度为 的试件受到的拉力 ； Ac为偏轴拉伸试件的横截面面积 ； A 为反映涂层织物类膜材纤维方 向正应力之间相互关系的参数， B 为反映涂层织物类膜材纤维方向正应力与剪应力相互关 系的参数 ； 0021 （4） 通过判断各应力分量 （x、 y、 ） 是否满足该表达式 (1) 即可判断材料是否 达到破坏状态。 0022 有益效果 ： 本发明适用于建筑膜结构中的材料破坏强度分析， 采用偏轴拉伸试验 方法进。
16、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。与现有 技术相比， 能够准确预测涂层织物类膜材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， 有效解决了现有方法在预测涂层织物类膜材的小角度偏轴拉 伸强度时出现的较大误差。其方法简单、 操作方便， 预测结果准确。有效弥补了目前大部分 强度模。
17、型存在的问题。 附图说明 0023 图 1 为本发明的偏轴试样及应力分解图示 ； 0024 图 2 为已有技术对膜材料偏轴强度的预测对比曲线图 ； 0025 图 3 为本发明与现有技术对膜材料偏轴强度的预测对比曲线图。 具体实施方式 0026 本发明的用于涂层织物膜材破坏强度的判定方法 ： 0027 （1） 针对涂层织物类膜材， 涂层织物类膜材指的是由聚酯纤维或玻璃纤维等编织 而成， 在表面覆以高分子涂层形成的材料 ； 将膜材裁剪成长条形试件 ； 0028 （2） 采用偏轴拉伸试验方法进行拉伸试验， 即裁剪试件时， 将裁剪方向与纤维方向 呈夹角 ； 试验时沿着材料裁剪方向施加拉力， 此时材料会。
18、受到拉力和剪力的共同作用 ； 0029 （3） 当试验拉力达到不断加大， 使涂层织物类膜材发生破坏时， 涂层织物类膜材的 经向、 纬向两个主轴方向的正应力、 剪应力满足下式 ： 0030 0031 式中， X、 Y 为材料经、 纬向抗拉强度 ； S 为材料的抗剪强度 ； x、 y为材料沿 经、 纬纤维方向的正应力， 为材料的剪应力 ； x cos2， y sin2， cossin， 其中为材料垂直于拉伸方向的拉应力， F/Ac， F为偏轴角度为 说 明 书 CN 103364274 A 5 4/5 页 6 的试件受到的拉力 ； Ac为偏轴拉伸试件的横截面面积 ； 为偏轴拉伸试件沿裁剪方向的 拉。
19、应力 ； A 为反映涂层织物类膜材纤维方向正应力之间相互关系的参数， B 为反映涂层织物 类膜材纤维方向正应力与剪应力相互关系的参数 ； 0032 （4） 通过判断各应力分量 （x、 y、 ） 是否满足该表达式 (1) 即可判断材料是否 达到破坏状态。 0033 实施例 1、 0034 （1） 采用涂层织物类膜材， 将涂层织物类膜材裁成长条形试件， 长度为 1000mm, 宽 度为 50mm ； 0035 （2） 按照传统偏轴拉伸试验方法， 采用常规的材料拉伸试验机进行两组拉伸试验， 选择一组裁剪方向与纤维方向呈夹角 为 45 度， 另一组裁剪方向与纤维方向呈夹角 为 30 度， 试验时沿着材。
20、料裁剪方向施加拉力 F 直至破坏 ； 0036 （3） 当逐渐增大拉力 F 至涂层织物类膜材发生破坏时， 涂层织物材料受到的正应 力、 剪应力如图 1 所示， 此时涂层织物类膜材的两个主轴方向， 即经向、 纬向的正应力、 剪应 力满足公式 ： 0037 0038 其中， X、 Y 为材料经、 纬向抗拉强度， 按现有技术由材料单轴拉伸试验测得 ； S 为材 料的抗剪强度， 按现有技术由十字面框试验测得 ； x、 y为材料沿经、 纬纤维方向的正应 力， 为材料的剪应力 ； x cos2， y sin2， cossin， 其中 为材料垂直于拉伸方向的拉应力， F/Ac， F 为偏轴角度为 的试件受到。
21、的拉力， 按现 有技术由拉伸试验机测得， Ac为偏轴拉伸试件的横截面面积， 即试件的宽度乘以厚度 ； A 为 反映涂层织物类膜材纤维方向正应力之间相互关系的参数， B 为反映涂层织物类膜材纤维 方向正应力与剪应力相互关系的参数， 可以通过偏轴拉伸试验测得。根据上述所做的裁剪 方向与纤维方向呈夹角为45度和30度的试验， 将两组试验结果分别代入公式(1)， 根据 拟合残差最小的原则来确定公式 (1) 中的参数 A 和 B 分别为 -7.575 和 -0.166 ； 0039 （4） 通过判断各应力分量 （x、 y、 ） 是否满足该公式 (1) 即可判断材料是否达 到破坏状态。 0040 如图3所。
22、示， 本发明与现有技术对膜材料偏轴强度的预测对比曲线图， 本发明与现 有技术相比， 当偏轴角度为 15 度时， 试验值为 5485.45N/5cm， 采用现有技术 （Hashin 准则、 Tsai-Hill 准则， Yeh-Stratton 准则） 得到的材料破坏强度预测值分别为 6491.92N/5cm， 6596.76N/5cm， 6194.35N/5cm， 而采用本发明的材料强度预测值为 5400.83N/5cm ； 当偏轴 角度为 30 度时， 试验值为 4719.55N/5cm， 采用现有技术 （Hashin 准则、 Tsai-Hill 准则， Yeh-Stratton 准则）得到的。
23、材料破坏强度预测值分别为 4729.11N/5cm， 4815.92N/5cm， 4559.94N/5cm, 而采用本发明的材料强度预测值为 4646.99N/5cm ； 当偏轴角度为 45 度 时， 试验值为 4317.38N/5cm， 采用现有技术 （Hashin 准则、 Tsai-Hill 准则， Yeh-Stratton 准则）得到的材料破坏强度预测值分别为 4337.21N/5cm， 4334.40N/5cm， 4137.35N/5cm, 而采用本发明的材料强度预测值为 4391.38N/5cm ； 当偏轴角度为 60 度时， 试验值为 4428.01N/5cm， 采用现有技术 （H。
24、ashin 准则、 Tsai-Hill 准则， Yeh-Stratton 准则） 得到的 材料破坏强度预测值分别为 4720.92N/5cm， 4808.23N/5cm， 4551.46N/5cm， 而采用本发明的 说 明 书 CN 103364274 A 6 5/5 页 7 材料强度预测值为 4336.29N/5cm ； 当偏轴角度为 75 度时， 试验值为 5206.26N/5cm， 采用现 有技术 （Hashin 准则、 Tsai-Hill 准则， Yeh-Stratton 准则） 得到的材料破坏强度预测值 分别为 6459.29N/5cm， 6562.69N/5cm， 6163.47N/5cm, 而采用本发明的材料强度预测值为 5031.14N/5cm。 说 明 书 CN 103364274 A 7 1/2 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 103364274 A 8 2/2 页 9 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103364274 A 9 。