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文档简介

机织物双向拉伸实验方法与力学性能研究 摘要 织物在实际使用过程中,受到的并非单一形式的破坏,而是复杂应力的共同作用。在 拉伸性能上开始采用双向拉伸进行评价。由于仪器和实验方法的限制,我国对织物双向拉 伸性能的研究还很少。本课题旨在研究双向拉伸的实验方法,确保实验结果客观地反映织 物的双向力学性能,以便评价织物在复杂受力条件下被破坏的难易程度,并为力学性能更 为合理的织物结构设计提供依据。 本文首先进行了常规力学性能测试,并初步探讨了一方向固定、另一方向受拉的双向 拉伸。其次,借助于数字散斑相关方法,在国产3 d 复合材料力学分析系统上研究了双向 拉伸的实验方法。最后,从组织和密度两方面分析了不同结构参数对单向和双向力学性能 的影响。结果表明:顶破、撕裂和拉伸性能之间有着一定的联系;双向拉伸实验方法中, 选择十字圆弧形试样形状,采用贴衬的方式加强试样的夹持区、过渡区及角部,加强材料 应满足伸长率大于试样、断裂强度小于试样,实验参数中预加张力为5 n ,拉伸隔距为 l o o m m ,拉伸速度为5 0 m m m i n ,双向拉伸曲线及试样破坏图表明该实验方法满足评价原 则;结构参数中纬密增大,顶裂强度增大,纬向撕裂强度减小,单向与双向拉伸的经向断 裂强度减小,纬向断裂强度增加,且当组织为平纹、经纬密为l :1 1 左右时,可得到经、 纬同性结构的织物;组织上,常规力学性能和双向力学性能强度值均表现为平纹 斜纹 缎 纹,表明交织阻力越大,织物力学性能越优。 关键词:双向拉伸;实验方法;机织物;力学性能;数字散斑方法 s t u d i e so ne x p e r i n 埘t a lm e t h o d sin e r b i a x i a i 。t e n s i l ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s0 fw o v e nf a b i u c a b s t r a c t t h ef r a c t u r em o d eo ff a b r i c sw a sc o m p l i c a t e dd u r i n gt h ea c t u a la p p l i c a t i o n ,a n di nt e n s i l e p r o p e r t i e s ,i tc o n t a i n e du n i a ) 【i a l a n db i a x i a le x t e n s i o n f o rt h el i m i to ft h ei n s t r u m e n ta n d e x p e r i m e n t a lm e t h o d ,t h e r ew a sr a r er e s e a r c hi nt h eb i a x i a lt e n s i l eo ff a b r i ci nc h i n a t h i sp a p e r w a st os t u d ye x p e r i m e n t a lt e c h n i q u e so fw o v e nf a b r i c su n d e rb i a x i a le x t e n s i o n ,i no r d e rt o p r o v i d eb a s i c sf o rt h ec o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n to ff a b r i cf r a c t u r eu n d e rc o m p l i c a t e dl o a d i n g c o n d i t i o n sa n da l s om a k er e f e r e n c ef o rt h ef a b r i cs t r u c t u r a l d e s i g no fb e t t e rm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s f i r s t ,t h ec o m m o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ed i s c u s s e d ,a sw e l la st h eb i a x i a lp r o p e r t i e s w h e no n ed i r e c t i o nw a sf i x e d ,t h eo t h e rw a si nt e n s i o n s e c o n d ,b yt h em e a n so fd i g i t a ls p a c k l e c o r r e l a t i o nm e t h o d ( d s c m ) ,t h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d so fb i a ) 【i a l l o a d i n gw e r ei n v e s t i g a t e do n m e c h a n i c a la n a l y s i ss y s t e mo ft h r e e - d i m e n s i o n a lc o m p o s i t e s t h i r d ,t h eb e h a v i o ro ft h e w o v e nf a b r i cw i t hd i f f e r e n tf a b r i cc o n s t r u c t i o na n dd e n s i t yu n d e rb o t hu n i a x i a la n db i a x i a l t e n s i l ew e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a t :t h e r ew e r er e l a t i o n sa m o n gb u r s t i n g ,t e a r i n g ,a n d s t r e t c h i n gp r o p e r t i e s ;c r u c i f o r ms p e c i m e nw i t hc i r c u l a ra r ca tt h ec o m e r sw a sc h o s e ,t h ec l a m p z o n e ,t r a n s i t i o nz o n ea n dt h ec o m e r so ft h es p e c i m e nw e r er e i n f o r c e db yp a s t i n gl a p p i n gc l o t h , w h i c hs h o u l dh a v eag r e a t e re l o n g a t i o na n dl e s st e n s i l es t r e n g t ht h a nt h es a m p l e i nt h ea s p e c to f e x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ,p r e t e n s i o nw a s5 n ,t e n s i o ng a u g ew a s10 0 m m ,t h eb i a x i a lt e n s i l er a t e w a s5 0 m m m i n b i a x i a lt e n s i l ec u r v ea n ds a m p l ed a m a g es h o w e dt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d s a t i s f i e dt h ee v a l u a t i o np r i n c i p l e s i ns t r u c t u r ep a r a m e t e r s ,w h e nf i l l i n gd e n s i t yi n c r e a s e d ,t h e b u r s t i n ga n dt e n s i l es t r e n g t hi nw e f tu n d e ru n i a x i a la n db i a x i a li n c r e a s e d ,t h et e a r i n gs t r e n g t hi n l i w e f ta n dt e n s i l es t r e n g t hi nw a r pd e c r e a s e d ,t h ef a b r i cw a se q u a lt oi s o t r o p i cw h e nt h ed e n s i t y r a t i ow a sa b o u t1 :1 1 t h es t r e n g t hu n d e rc o m m o na n db i a x i a ll o a d i n go fp l a i nw e a v ew a st h e b i g g e s t ,m o r et h a nt w i l lw e a v e ,a n ds a t e e nw e a v e w a st h el e a s t k e y w o r d :b i a x i a lt e n s i l e ;e x p e r i m e n t a lm e t h o d s ;w o v e nf a b r i c ;m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ; d s c m 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 织物力学性能研究概述l 1 1 1 织物力学的研究历史1 1 1 2 织物力学的研究现状2 1 1 3 织物力学研究的发展趋势2 1 2 双向拉伸研究概述3 1 2 1 双向拉伸的产生方式3 1 2 2 双向拉伸在非纺织材料上的应用研究6 1 2 3 双向拉伸在纺织结构的织物上的应用研究7 1 2 4 单向拉伸与双向拉伸之间的联系9 1 2 5 织物双向拉伸研究的主要问题1 0 1 3 数字散斑相关方法的原理及应用现状1 0 1 3 1 数字散斑相关方法的基本原理1 0 1 3 2 二维数字散斑相关方法的应用现状1 1 1 4 本课题研究的意义、内容及方法1 2 1 4 1 本课题研究的目的与意义1 2 1 4 2 本课题的研究内容与方法1 2 第2 章机织物常规力学性能分析1 4 2 1 实验材料1 4 2 2 实验仪器15 2 3 实验方法与方案设计1 7 2 3 1 顶裂性能测试1 7 2 3 2 撕裂性能测试1 7 2 3 3 单向拉伸性能测试18 2 3 4 不同时的双向拉伸性能测试1 9 2 4 实验结果与分析1 9 l 2 4 1 顶裂性能一 2 4 2 撕裂性能 2 4 3 单向拉伸性能 2 4 4 不同时的双向拉伸性能一 2 4 5 不同受力形式下织物力学性能相关性分析 2 5 小结 第3 章双向拉伸实验方法的研究 3 1 实验材料 3 2 实验仪器 3 3 试样形状设计 3 3 1 实验准备 3 3 2 实验结果与分析 3 4 加强方法研究 3 4 1 加强部位的确定一 3 4 2 加强方式的选择 3 4 3 加强方式的影响 3 4 4 加强用衬布的选择 3 5 实验参数的选择 3 5 1 实验准备 3 5 2 实验结果与分析 3 6 双向拉伸实验方法的评价 3 6 1 评价原则 3 6 2 评价结果一 3 7 小结 第4 章结构参数对机织物力学性能的影响 4 1 实验材料 4 2 实验仪器及实验方法 4 3 实验结果与分析 4 3 1 顶裂性能一 4 3 2 撕裂性能一 5 5 5 6 5 8 5 9 6 0 6 0 北京服装学院硕士论文 第1 章绪论 - - 。_ _ _ - _ _ - 。_ 。- - 力学性能是纺织材料性能的重要组成部分,是决定其用途、织物风格的重要因素。随 着纺织科学和纺织工业的快速发展,对织物力学性能的研究也提出了更高的要求。无论是 服用还是工业用纺织品,力学性能都是重要的评价内容。尤其是工业应用方面,在当今全 球倡导的低碳绿色模式下,越来越多的硬性金属材料被柔性纺织材料所取代,因此,纺织 材料力学性能的地位与日俱增。 1 1 织物力学性能研究概述 1 1 1 织物力学的研究历史 织物力学性能的研究始于2 0 世纪2 0 年代,至今已有8 0 多年的历史。其发展大致可以分 为3 个阶段:从2 0 世纪2 0 年代初至l j 4 0 年代的第一阶段,称为起始阶段,关于纺织品的研究已 经涉及到织物结构和力学性能的测量。该阶段的研究先驱是e t p i e r c e 1 1 等人,他们的贡献 为织物结构力学理论的研究打下了重要基础,至今许多文章仍提到他们的工作。系统地研 究织物力学性能始于1 9 4 5 年,其成果收于h e a r l e 2 1 等人编的纤维、纱线和织物的结构力学 一书中。 第二阶段从2 0 世纪4 0 年代中n 8 0 年代末,为发展阶段。在这一阶段,开始对织物在拉 伸、顶裂、撕裂、面内剪切、弯曲中所表现出来的力学性质进行理论与实验研究;并开始 利用织物的力学性能参数如断裂强度、伸长率、拉伸模量和断裂功及拉伸曲线等作为评价 织物手感的指标;出现了如k e s 【3 】( k a w a b a t ae v a l u a t i o ns y s t e mf o rf a b r i c ) 矛1 f a s t 4 】( f a b r i c a s s u r a n c eb ys i m p l et e s t i n g ) 等试验装置,通过对织物进行拉伸、剪切、纯弯曲和表面性质 研究等评价织物风格。 从2 0 世纪8 0 年代术至今,是织物力学发展的第三个阶段。这时,国内外纺织业开始进 行产业结构的调整,向着服装用、装饰用,尤其是产业用纺织品方向过渡,纺织工业迅猛 发展。国际上新纤维材料的应用范围不断扩大,如纤维增强混凝土、汽车、飞机、宇航、 高级运动器具等用途中的纤维复合材料应用比例迅速增加,据统计,1 9 9 0 年和1 9 8 0 年相比, 产业用纺织品的纤维耗用量,美国增长了5 6 ,同本增长了6 3 。在该时代背景下,关于 织物力学的研究也达到了鼎盛时期。该时期的一个突出表现是每年在( t e x t i l er e s e a r c h j o u r n a l ) ) ( 美国出版) 和( j o u r n a lo f t e x t i l ei n s t i t u t e ) ) ( 英国出版) 上发表的关于织物力学方面 的论文大幅度增加,9 0 年代年平均发表的论文数约是8 0 年代初平均数的2 , - - 一3 倍,有时几乎 第1 章绪论 成了力学专辑。 1 1 2 织物力学的研究现状 进入2 1 世纪以来,由于各领域对织物力学性能研究的更多关注,各学科间的相互融合 如数学和物理学的交融,以及更多先进技术和实验仪器的支持,使得织物力学研究突飞猛 进。目前,织物的力学性能研究已经形成了一门独立的应用力学分支柔软纤维集合体 力学,逐渐发展,日趋成熟。 从内容来看,早期的研究主要集中于纤维、纱线的变形和强度等问题上,近期开始重 视织物结构力学理论的研究,并较多地涉及了织物的拉伸、撕裂、剪切、弯曲等课题。国 外学者对纤维、纱线及织物的力学性质进行了较为广泛的研究。t a k a s h ik o m o r i 5 】等结合织 物的粘弹性,应用各向异性板的大变形理论研究了织物的变形;j r c o l l i e r 【6 】等利用有限元 方法分析了织物的弯曲性能如悬垂性等指标;k a t h a r i 7 】探讨了工艺条件和环境因素对织物 剪切性能等的影响;g a v l e a f 8 】等人对比机织物与针织物的几何特点,并利用锯齿状模型 对织物的拉伸性能进行了研究。 在国内,也出现了一些关于织物力学性能的研究。董孚允【9 1 从理论上分析了机织物的 拉伸、撕裂、剪切和弯曲等特性。张芝兰【1 0 1 将机织物作为正交各向异性体,探讨了其在各 个方向承受单向拉伸载荷、双向拉伸载荷及弯曲载荷时的力学性能。徐一耿【1 1 1 就织物结构 力学理论的发展现状,分析了存在的问题并提出了相应的对策。顾伯洪【1 2 】总结了之前直接 测试织物力学基本常数泊松比的不足,提出了间接测量平纹机织物泊松比的方法。张 义同【”】回顾了力学研究的历史,结合织物本构理论重点介绍了在织物悬垂、屈曲方面研究 的进展。 1 1 3 织物力学研究的发展趋势 ( 1 ) 研究对象的多维化 近年来,织物力学性能的研究对象不再是传统的单一平面机织物或针织物,而是向二 维、三维甚至是多维纺织结构复合材料过渡,由此产生了更多的研究领域。甘应进【1 4 】以3 d 正交机织物为例,研究了纱线交织方式、纱线层数等对织物力学l i q i 4 - 台月匕v , 的影响。高爱君【1 5 】以三 维间隔连体织物复合材料增强体为对象,考察了材料在平压、剪切和三点弯曲载荷作用下 的力学特性及破坏模式,并分析了织物结构参数的影响。曹海建【1 6 】设计了3 种不同的2 5 d 机织物复合材料,对其拉伸、压缩和层间剪切性能进行了实验研究。 ( 2 ) 破坏形式的综合化 北京服装学院硕士论文 关于织物的拉伸、撕裂、剪切、弯曲等单一的破坏形式,目前已经建立了较为完善的 测试标准与方法。但由于织物在实际使用过程中,受到的往往并非单一形式的破坏,而是 复杂应力的共同作用,即多种受力方式并存。因此,由研究单一破坏形式,过渡到综合研 究多种破坏形式的共同作用是织物力学性能研究的发展趋势。在拉伸性能研究中,单轴向 的拉伸性能已比较成熟,逐渐拓展到双轴向拉伸性能的研究。龙海如等【1 7 】采用国产双向拉 伸测试仪对罗纹针织物7 个方向上的拉伸力学性能进行了测试,研究织物单轴向和双轴向 之间的联系,单双向力学性能可以通过某种方式相互预测。卢业虎【l8 】把弹性力学平面应力 问题的理论用于描述织物的双向拉伸,提出一种计算泊松比的方法。白刚【1 9 】对不同组织结构 的织物进行撕裂强度和断裂强度测试,分析了撕裂和断裂两种破坏形式之间的线性相关性。 1 2 双向拉伸研究概述 双向拉伸研究最早起源于国外,早在2 0 世纪初,h a a s 2 0 】第一次自制双向拉伸测试仪, 探讨了平面型织物试样和圆柱形织物试样的双向力学性能。在双向拉伸近一个世纪的发展 中,研究了双向拉伸的产生方式,进行了不同对象的双向拉伸的应用研究。 1 2 1 双向拉伸的产生方式 在国内外文献提出的双向拉伸的产生方式中,有采用单一加载系统的,见图1 ( i ) ,分 别包括( a ) 悬梁弯曲法、( b ) 薄膜凸胀法、( c ) 四点弯曲法、( d ) 圆盘形试样等双轴加载、( e ) 十 字夹层梁实验方法。也有采用两个或多个加载系统,见图l ( i i ) ,包括( a ) 圆棒扭转弯曲法; ( b ) 、( c ) 、( d ) 中薄壁管状试样双向加载法;( e ) 十字型试件双向拉伸实验法。 第1 章绪论 编号测试方式示意图 应力比 厂 ( 曩) 悬梁弯曲法 弋 e p 经向伸长率。 从表1 3 中可以看出,与单向拉伸结果相比较,十字直角形、十字锥形、十字圆弧形三 种形状试样的拉伸断裂强度值,无论经向还是纬向,均小于单向拉伸断裂强度值。三种十 字形状中,十字圆弧形试样经、纬向拉伸断裂强度值最大,最接近单向拉伸强度值;十字 直角形试样经、纬向拉伸断裂强度值次之;十字锥形试样两方向力值都非常小。 机织物是由经纬向纱线交织而成,以拉伸经向为例,在单向拉伸实验中,经向受到纬 纱对其的交织阻力的作用,这时纬纱处于自由状态。而在双向拉伸实验中,由于十字形试 样经向与纬向对称,当经向受拉时,纬纱也同样处于受拉状态,而非单向时的自由状态, 此时经向所受纬向对其的交织阻力的作用大于单向拉伸时的交织阻力的作用。纬向同理分 3 6 北京服装学院硕士论文 析。因此,三种形状双向拉伸时的经向或纬向断裂强度值都小于单向拉伸断裂强度值。这 表明,该种情况下,织物强度没有得到充分的利用,双向拉伸没有反映出织物的真实办值。 所以,简单地通过某种形状进行双向拉伸测试是不够的,还需要在形状的基础上,对试样 进行加强处理,以有效地表征双向拉伸测试结果。 综合数字散斑计算结果和双向拉伸初始破坏部位统计及断裂强度值,选择十字圆弧形 状试样进行双向拉伸实验。 3 4 加强方法研究 通过3 3 的实验结果,得出十字圆弧形试样形状更适用于表征双向拉伸,但如表1 2 中所 示,虽然十字圆弧形试样中心区破坏比例大于其他两种形状,但总体来说,在中心区域破 坏的概率仍然很低,只有1 7 ,大多数破坏发生在过渡区,说明试样的过渡区域在双向拉 伸过程中属于薄弱环节。因此,需要采取特殊的方法对试样中心区以外容易发生断裂的区 域进行加强,使初始破坏更多地发生在中心区。 3 4 1 加强部位的确定 3 4 1 1 实验准备 利用数字散斑相关方法,依据图2 0 中十字形状试样的区域划分,对十字圆弧形试样中 的t 过渡区、c 夹持区、m 中心区分别选取合适的运算区域进行场位移计算,比较三个区域 应力场分布情况。其他实验参数同3 3 1 。 通过多次实验发现,过渡区的断裂主要由于角部纱线受力发生撕裂所致,如图2 4 所示。 因此,角部加强与否,对实验的影响很大。 图2 4 角部撕裂示意图 ( b ) 夹持区 一一 臻浚移 ( c ) 中心区 图2 5 十字圆弧形试样不同区域的u 、v 场位移 注:以上测试中试样米做任何加强处理。 从图2 5 可以看出,三个不同区域中,试样在中心区的的u 场和v 场位移等高线均很平滑, 3 8 基本近 夹持区 力集中 通 未加强 ( b ) 只加强四肢时 u 场位移v 场位移 ( c ) 加强四肢和角部时 图2 6 角部的u 场、v 场位移 第3 章双向拉伸试验方法的研究 数字散斑图2 6 显示,未做任何加强处理时,角部u 场、v 场位移图中有明显的应力集中 圈。只加强四肢时,角部仍然发生应力集中。在加强四肢的基础上加强角部后,u v 场位 移图曲线明显变得均匀、光滑,近似直线。这验证了加强角部是非常重要而且是必须的。 试样同时加强四肢和角部与只加强四肢、未做任何加强三种情形下的双向拉伸实验结 果如表1 4 。 表1 4 不同加强状态下的双向拉伸结果 注:双向拉伸过程中,实验结果仅统计断裂发生在中心区域的实验结果。 仅记录最先发生断裂时的断裂伸长率。 经过加强,从数字散斑位移场图中观察已没有应力集中的区域;从断裂区域在中心区, 并且中心区发生破坏的比例上升至8 5 的现象证明,加强四肢和角部后的试样是双向拉伸 断裂,而不是某区域应力集中导致的断裂;从拉伸断裂强度值越来越高,表明应力集中现 象越来越少,断裂强度值达到并超过单向拉伸断裂强度值,说明交织阻力所起的作用。 综上所述,加强效果:加强四肢和角部 只加强四肢 未加强。因此,双向拉伸最终 的加强部位是所有非中心区,包括过渡区、夹持区和角部。 3 4 2 加强方式的选择 通过3 4 1 的实验可知,进行双向拉伸时,要对十字圆弧试样的非中心区进行加强。现 比较三种不同的加强方式上浆、贴金属片、贴衬,通过对比实验结果,选出较为合适 的加强方式。 3 4 2 1 实验准备 上浆加强:将淀粉和水按2 :5 的比例混合,搅拌均匀,在试样的非中心区表面均匀涂 抹浆料,然后放入7 0 。c 烘箱中2 h 至烘干。 铝片加强:将厚度为1 m m 的薄铝片加工成适合试样尺寸的5 0m m 7 0m m 的矩形,用 a b 强力胶均匀粘贴在试样的非中心区域。自然风干2 4 h 以保证铝片与试样之间有最大的粘 4 0 北京服装学院硕士论文 贴牢度。 贴衬加强:将市购粘合衬用激光切割仪裁成加强片形状,经热熔粘金机贴在十字形 试样待加强的非中心区域。( 工作温度为1 4 0 。c ,速度2 m m m i n ,工作压力0 2 m p a ) 。 以上每组试样各2 0 个。 3 4 2 2 实验结果与分析 不同加强方式下,十字圆弧形试样发生初始破坏的部位有明显差异。具体统计见表1 5 。 为方便对比,引入未加强的十字圆弧形试样断裂部位统计结果。 表1 5 不同加强方式下试样断裂部位统计 注:为了可比,以上试样角部均未加强。 通过贴铝片的方式加强后,中心区断裂比例由未加强的1 7 提高到了2 0 ,但中心区 破坏比率仍然太低。夹持区断裂的比例明显下降,这是由于铝片在夹持部位起到了很好的 保护作用,该区域主要由铝片受力,将初始破坏有效地从夹持区转移。而此时贴铝片与未 贴铝片的交界处是一个明显的弱节,该弱节正处于过渡区内,所以断裂主要发生在试样的 过渡区,其比例为7 7 。由此可见,贴铝片的方法比较适用于十字形金属试件,不易产生 明显的弱节,但不适用于织物的双向拉伸。 上浆加强方式中,试样7 5 断裂在非中心区,主要原因是上浆只能在试样受力的初期 使试样增厚,从而起到有限的加强作用。而在双向拉伸过程中,随着试样受力逐渐增大, 试样伸长也逐渐增大,试样变薄,此时上浆已经不能对试样起到任何加强保护作用,试样 会像未加强一样,断裂在夹持区和过渡区。另外,浆料涂抹不均匀也会对试样受力产生影 响。因此,上浆的方法也不足以加强双向拉伸的十字形试样。 贴衬的加强方式同贴铝片类似,有效地保护了夹持区,但优于贴铝片的方式,贴衬后 的过渡区破坏比例由贴铝片的7 7 下降至4 4 ,中心区破坏比例由未加强时的1 7 提高至 4 1 第3 章双向拉伸试验方法的研究 4 5 ,可见该方法能够对双向拉伸时的十字形试样起到加强保护作用。 综上所述,三种不同加强方式中,贴衬的方式能够使十宅形试样初始破坏较多地发生 在中心区,而且贴衬方式使用简单、方便,借助于服装辅料一衬布对双向拉伸中的十字形 试样进行很好的保护。所以本文的双向拉伸实验中,均利用贴衬的方法对十字圆弧形试样 的非中心区进行加强,如图2 7 所示。 麓鞣掰薅稍黼 爨薷鞴鞣鼎鼎 衬布 椭衬布一 衬布 躺 图2 7 十字形试样贴衬加强示意图 3 4 3 加强方式的影响 通过3 4 1 和3 4 2 的实验可知,用于双向拉伸的试样必须经过贴衬加强处理。然而,贴 衬加强处理是否会对实验结果产生很大影响,所得力学数据是否是双向拉伸的真实反映, 该问题有待进一步证实。因此,本节设计了单向条样的加强实验( 因为单向条样法拉伸实 验己较成熟) ,通过改变贴衬面积和贴衬位置,对试样采取不同的加强处理,探讨加强作 用对双向拉伸实验结果的影响。 3 4 3 1 实验准备 选择试样c 5 “、h 8 4 和c 1 样、c 6 群。待加强的单向条样尺寸、衬布尺寸为2 0 0 m m 5 0 m m 。 拉伸时隔距为1 0 0 m m ,拉伸速度5 0 m m m i n 。不同贴衬方式如图2 8 ,衬布与试样经热熔粘合 机粘结,粘合机工作参数同3 4 2 1 。 4 2 北京服装学院硕士论文 ;誊 - 一薹 薹曼 蠢 l 藜囊;。 薯i 鬻“ 试 g 嚣融瓣糍 ,j 蕊赫女女l 。3 试,壹遴。 样 i i 蠢;萋藕赣i 薹i 5 0 r a m l 5 m m 样 麟寨鬻 ! , 豳 豳 羹 试样试样+ 两端衬 试样+ 中空衬试样+ 全衬 图2 8条形试样贴羽力式不意图 3 4 3 2 实验结果与分析 不同加强方式对试样单向力学性能的影响如图2 9 和表1 6 。 1 u u u - i 试样 臣勿试样+ 两端衬 囫试样+ 中空衬 8 0 0 一i 试样+ 全衬 暖 吞6 0 0 z 毋 餐4 0 0 鋈羹 萎i 裂 蔷 2 0 0 - 喹弱l c 1 #c 5 #c6#h8# 试样代号 图2 9 不同衬加强方式下条形试样拉伸实验结果 注:试样原样;试样+ 两端衬;试样+ 中空衬; 试样+ 全衬; 4 3 第3 章双向拉伸试验方法的研究 表1 6 不同加强方式下条形试样拉伸实验结果 。 试样 断裂强度( n 5 c m )断裂强度断裂伸长率断裂伸长率 变异系数( ) ( ) 变异系数( ) c1jfi864 31 23 c i # + 两端衬8 3 9494 c i # + 中空衬8 8 5262 c i # - i - 全衬9 2 3554 c 5 # 5 1 641 33 c 5 # + 两端衬 5 2 8l1 3 2 c 5 # + 中空衬 5 4 82 62 c 5 # + 全衬 6 8 7 357 c6#4448 1 54 c 6 撑+ 两端衬4 3 641 24 c 6 辨中空衬4 5 4471 c 6 卅全衬5 2 6352 h 8 撑2 0 7 52 l1 4 h 8 料两端衬2 2 741 24 h 8 料中空衬2 2 9452 h 8 料全衬 5 8 4 354 衬布471353 注:以上测试均为试样的经向。 从图2 9 和表1 6 n - - j 以看出,贴全衬方式对试样有着明显的加强作用,这时衬布与试样贴 合加强,形成了一个具有较高强度的集合体,断裂强度值明显增加。两端贴衬和中空贴衬 两种方式对试样强度值的提高作用并不明显,接近于试样自身的强度;两端贴衬的方式可 认为是减少了试样弱节的部位,与缩小隔距起到了相似的作用,但在这种方式下,试样的 破坏仍发生在薄弱的未加强区域;中空贴衬的方式对试样的伸长率产生了极大的影响,这 时的伸长率均大大降低,直至接近于衬布自身的伸长率,而且该方式能使试样破坏转移至 中心区, 因此,在双向拉伸实验中,采用十字形试样四肢贴衬和角部贴衬的加强方式,可以看 4 4 北京服装学院硕士论文 作是中空贴衬,上述实验结果表明通过贴衬加强方式后的双向拉伸结果靠准确,可以真实 地反映试样双向拉伸的力学性能。一 3 4 4 加强用衬布的选择 双向拉伸实验中,加强方式确定后,贴衬所用衬布的选择也非常重要。因为衬布也是 机织物,有自身的力学性能,其断裂强度和断裂伸长率也是值得考虑的影响因素。设计本 实验以确定衬布的选择标准。为了方便,将衬布的经向试样和纬向试样分别作为两种衬布 材料,与不同试样进行贴合后测试拉伸断裂强度。 3 4 4 1 实验准备 与3 4 3 相同,选择试样c 1 群、c 5 群、c 6 撑和h 8 群。待加强的单向条形试样尺寸、衬布尺寸 均为2 0 0 m m 5 0 m m 。拉伸时隔距为1 0 0 m m ,拉伸速度5 0 m m m i n 。衬布与试样经热熔粘合 机粘合,粘合机工作参数同3 4 2 1 。 3 4 4 2 实验结果与分析 不同贴衬方式下试样c 1 撑、c 5 群、c 6 拌和h 8 存的的拉伸结果如表1 7 所示。 表1 7 不同贴衬方式下条形试样拉伸结果 4 5 第3 章双向拉伸试验方法的研究 表1 7 显示,试样贴全衬后的断裂强度增加值 试样与衬布之间的粘合强度。贴衬后试 样断裂强度值的增加并非取决于试样与衬布之闻的粘合强度,衬布本身的力学性能是主要 影响因素。 试样贴全衬后形成了新的复合织物,其断裂强度值接近试样与衬布两者中断裂强度的 较大值,例如,c 5 样贴全衬后为6 8 7 n 5 e m ,接近较大的试样强度5 1 6 n 5 c mh 8 撑贴全衬后 为5 8 4 n 5 c r n ,接近较大的衬布强度4 7 1 n 5 e m ;断裂伸长率表现为试样与衬布两者中断裂伸 长率的较小值,例如,c 1 群贴全衬后为1 4 ,接近较小的试样伸长率1 7 ;h 8 撑贴全衬后为 5 ,接近较小的衬布伸长率5 。 实验结果应反映试样本身的力学性能,而非起辅助作用的衬布的力学性能。在本实验 中,试样c 1 撑和c 5 撑选择了衬布的纬向,其断裂强度及伸长率均接近试样本身的断裂强度和 断裂伸长率,反映的是试样自身的力学性能,衬布选择正确。而试样c 6 群和h 8 群选择的是衬 布的经向,其断裂强度和断裂伸长率均接近衬布,反映的是衬布而非试样本身的结果,衬 布选择不正确。 综上所述,加强衬布的选择标准是:伸长率大于试样、断裂强度小于试样。只有这样, 才能够既保证双向拉伸实验的顺利进行,又不影响测试结果的真实性。 3 5 实验参数的选择 3 5 1 实验准备 根据g b t3 9 2 3 1 1 9 9 7 纺织品织物拉伸性能,单向拉伸的实验参数包括预加张力、 隔距和速度。当试样的单位面积质量在2 0 0 5 0 0 9 m 2 时,选择5 n 的预加张力。因此,本文 双向拉伸实验选择5 n 的预加张力。 3 d 复合材料力学分析系统的隔距为1 0 0 3 0 0 m m ,根据所设计的试样形状,当隔距太 大时,试样尺寸变大,除了更加浪费原料外,试样中出现弱节的机率也会增加,不利于反 映实验的真实结果。因此,选择仪器的最小隔距1 0 0 m m 。 单向拉伸标准中规定,实验速度为5 0m m m i n 或1 0 0m m m i n 。3 d 复合材料力学分析 系统的速度变化范围为0 8 6 4 m m m i n 。为与单向拉伸比较,在此选择1 2 m m m i n , 3 2 m m m i n ,5 0 m m m i n 三个速度进行双向拉伸,以确定最合适的速度。 利用数字散斑相关方法比较不同拉伸速度对实验结果的影响,选定试样m 中心区作为 数字散斑运算区域,其他处理参数同3 - 3 1 。 北京服装学院硕士论文 3 5 2 实验结果与分析 ( 1 ) 数字散斑计算结果一一一 数字散斑计算结果如图3 0 所示。 u 场位移 ( a ) 1 2 r a m r a i n u 场位移 v 场位移 v 场位移 u 场位移v 场位移 ( c ) 5 0 m m m i n 图3 0 不同双向拉伸速度下的位移场曲线 从图3 0 看,当速度较小时,曲线变化梯度增大,波动显著,有应力集中现象;当速度 4 7 第3 章双向拉伸试验方法的研究 增大时,曲线较为平缓,梯度较小,无明显应力集中现象。 ( 2 ) 双向拉伸实验结果 不同速度下双向拉伸的实验结果如表1 8 。 表1 8 不同拉仲速度下的双向拉伸实验结果 从表1 8 可以看出,双向拉伸时经、纬向断裂力值一般都超过单向拉伸时的力值。双向 拉伸中,随着速度增大,经、纬向断裂力值明显增大。因为拉伸速度越大,试样中各根纱 线之间断裂的同时性越好;速度越慢,试样中各根纱线不同时断裂,造成断裂强度值下降。 这与数字散斑计算结果一致。 因此,综合数字散斑结果和双向拉伸断裂强度结果,较大的速度5 0 m m m i n 比较适合进 行十字试样的双向拉伸。 3 6 双向拉伸实验方法的评价 双向拉伸同单向拉伸一样,都是表征织物力学性能的重要方法,它们之间既有紧密的 联系,也有明显的区别。通过本章探讨,得到了实现双向拉伸的实验方法。 3 6 1 评价原则 综合参考文献及本文实验探讨,十字形试样双向拉伸的实验方法应满足以下条件: 试样有足够大的区域处于均匀的双向应力应变状态;最大变形出现在中心区,即初始破 坏发生在中心区;中心区应力分布均匀;避免非中心区域应力集中。 3 6 2 评价结果 ( 1 ) 实验现象 本文在双向拉伸实验方法的探讨过程中,从现象上来看,双向拉伸中的初始破坏都发 生在试样的中心区而非角部、过渡区和夹持区,如图3 1 所示,这证明试样断裂是由双向加 载导致,而非应力集中导致的破坏;另外,试样发生了经向和纬向两方向的断裂,这说明 试样是在双向应力应变状态下发生的破坏,而不是连续的两个方向单向拉伸的结果。 4 8 北京服装学院硕士论文 图3 l 双向拉伸织物破损方式 ( 2 ) 双向拉伸数据及曲线 本文双向拉伸实验中,双向实验数据与单向拉伸数据对比如表1 9 ,试样c 1 撑出现的典 型的断裂强度伸长曲线如图3 2 所示。 表1 9 双向拉伸与单向拉伸实验结果 注:双向拉伸实验参数为加强试样四肢及角部;拉伸速度5 0 m m m i n 目 之 z 0 赵 蠼 秣 警 01234567891 01 11 21 3 伸长( m m ) 图3 2 双向拉伸断裂强度伸长曲线 4 9 0 o o 0 o 0 o 0 0 加 加 第3 章双向拉伸试验方法的研究 从表1 9 可以看出,双向拉伸断裂强度值大于单向拉伸断裂强度值,这是双向力学性能 与单向力学性能之间的典型差异,立要原因是双向拉伸中经、纬向之间的交织阻力作用大 于单向拉伸中的作用,造成了断裂强度值的提高。 从图3 2 可以看出,织物的经、纬向拉伸曲线大致重合,这表明在拉伸过程中,试样经、 纬向确实是同时受力,是真正的双向拉伸实验。机织物是通过经、纬纱线交织而成,从平 纹机织物的结构单元来看,纱线在三维空间内形成弯曲,当织物受力拉伸时,纱线先从初 始的三维弯曲,沿着受力方向逐渐向二维平面伸展,此时是织物组织结构的伸直变形和纱 线的转移。因此拉伸初始阶段织物伸长很大,而拉伸力很小。在拉伸曲线上表现为模量很 小。初始阶段后,拉伸力直接作用于受拉方向的纱线上,织物沿经、纬拉伸方向变窄、变 长,纱线经、纬之间的交织点发生错位移动,此时,织物内部收到外界拉力与自身交织阻 力的共同作用;在继续受力的过程中,纱线与交织点转移减少,纱线开始自身内部的伸长 变形。此时拉伸强力增大,而织物伸长减缓,即表现为模量增大,直至织物发生破坏。 3 7 ,j 、结 在第二章常规力学性能的基础上,本章探讨了双向拉伸的实验方法,得出以下结论: 1 ) 在所设计的三种试样形状中,十字圆弧形试样较十字直角形试样和十字锥形试样最适合 织物双向拉伸力学性能的表征。 2 ) 织物的双向拉伸中,必须对试样的薄弱环节进行加强处理;经实验选定贴衬的方式加强 试样的夹持区、过渡区及角部;加强衬布的选择标准是:伸长率大于试样、断裂强度小于 试样;通过实验证明了贴衬后的实验结果能够反映试样的双向拉伸力学性能。 3 ) 实验参数中,依照单向拉伸标准,选择预加张力为5 n ,拉伸隔距为1 0 0 m m ;通过双向 拉伸实验,选择5 0 m m m i n 作为双向拉伸实验的拉伸速度。 4 ) 本章双向拉伸实验中,从现象上看,初始破坏发生在试样的中心区且有两方向的破坏, 这符合双向拉伸实验方法的评价原则;从双向拉伸的断裂强度伸长曲线看,经、纬向曲线 重合程度比较高,可以认为是双向应力应变状态下的拉伸断裂。 5 0 北京服装学院硕士论文 第4 章结构参数对机织物力学性能的影响 本章将从密度和组织两方面对织物进行结构参数设计,并织出试样,分别进行常规力 学性能( 顶裂性能、撕裂性能和单向拉伸性能) 和双向力学性能( 不同时的双向拉伸和同

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