適用于模型試驗(yàn)中涂層織物類膜材的彈性模量測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種膜材料彈性模量的測試方法，特別是一種適用于模型試驗(yàn)中涂層 織物類膜材的彈性模量測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 膜結(jié)構(gòu)因其美麗卓越的造型而受到廣大設(shè)計(jì)師、建筑師的歡迎，成就了諸多地標(biāo) 性建筑。但是其力學(xué)性能受結(jié)構(gòu)外形、外荷載等作用影響明顯，具有明顯的幾何非線性和材 料非線性，現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論尚不完善，僅僅通過數(shù)值模擬很難準(zhǔn)確把握其力學(xué)性能，往往需要 結(jié)合模型試驗(yàn)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證?？紤]到實(shí)驗(yàn)室條件的限制，往往需要采用縮尺模型試 驗(yàn)來進(jìn)行分析。此時(shí)，模型試驗(yàn)中的材料，雖然也要經(jīng)過張拉、應(yīng)力松弛、二次張拉，但是其 受力與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)還是有較大區(qū)別，很難直接經(jīng)受其他荷載（比如風(fēng)、雪等荷載）的作 用，因此模型試驗(yàn)中的材料受力特性與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中的材料受力特性差別很大。
[0003] 張拉膜結(jié)構(gòu)中主要應(yīng)用的是涂層織物類膜材。涂層織物類膜材由基層、涂層和面 層三部分組成。其中基層由各種織物纖維編織而成，決定膜材的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。涂層和面 層保護(hù)基層，且具有自潔、抗污染、耐久性等作用?；鶎拥木幙椑w維相互垂直，分別為經(jīng)向纖 維和煒向纖維，兩個(gè)方向的力學(xué)性能差異較大。因此涂層織物類膜材具有明顯的非線性、非 彈性、各向異性以及粘彈性等特性，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮因膜片布置產(chǎn)生的彈性主軸的偏軸 問題，用計(jì)算軟件在計(jì)算中需要設(shè)定兩個(gè)彈性主軸方向的彈性模量和泊松比，還要考慮膜 片裁剪放樣中的布置方向。
[0004] 膜材料的力學(xué)性能研究是研究膜結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要前提，包括本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度 準(zhǔn)則等?？紤]到膜材料的非線性、粘彈性特性，相比傳統(tǒng)材料來講，膜材料本構(gòu)關(guān)系的確定 是材料力學(xué)性能研究的重中之重?，F(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程中，往往采用線彈性、各向異性的假定，因 此彈性常數(shù)（主要指彈性模量、泊松比）的準(zhǔn)確顯得尤為重要。
[0005] 國內(nèi)外的膜材雙軸拉伸試驗(yàn)大致可分為三類：鼓形雙軸試驗(yàn)、圓柱狀雙軸試驗(yàn)和 平面十字形雙軸拉伸試驗(yàn)。目前應(yīng)用最廣的是平面十字形雙軸拉伸試驗(yàn)，該方法近似假定 膜材經(jīng)煒向?yàn)閮蓚€(gè)彈性主軸，將膜材受力視為各向異性彈性理論下的平面應(yīng)力問題。
[0006] 目前，德國Rain Blum試驗(yàn)室和日本膜結(jié)構(gòu)行業(yè)協(xié)會制定的雙軸十字形試驗(yàn)方法 是比較常見的兩種雙軸試驗(yàn)方法。其中，德國Rain Blum試驗(yàn)室設(shè)計(jì)的膜材雙軸拉伸試驗(yàn) 機(jī)尺寸較大，在加載制度方面，該方法的膜面大多是一種負(fù)高斯曲率曲面，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處 理過程中，考慮到膜材應(yīng)力與應(yīng)變之間為非線性、非彈性關(guān)系，該方法將膜材本構(gòu)關(guān)系用應(yīng) 力增量與應(yīng)變增量局部線性化表示，對試驗(yàn)機(jī)加、卸載以及保載控制的要求較高；同時(shí)該方 法得到的膜材彈性常數(shù)在應(yīng)用到假定膜材料為正交各向異性材料的膜結(jié)構(gòu)計(jì)算前應(yīng)進(jìn)行 相應(yīng)的轉(zhuǎn)換與推導(dǎo)。具體的測試步驟如下：
[0007] (1)為測量其應(yīng)變，首先記錄經(jīng)、煒方向的原始長度，在試樣經(jīng)、煒方向分別加載至 其預(yù)應(yīng)力水平，然后對經(jīng)向和煒向交替進(jìn)行循環(huán)加載，加載幅值從預(yù)應(yīng)力水平到最大設(shè)計(jì) 應(yīng)力的1/3~1/2。
[0008] (2)將應(yīng)力值重新設(shè)定在預(yù)應(yīng)力值的I. 5倍并在44°C的溫度下保持18h，然后將試 樣的應(yīng)力值降到預(yù)應(yīng)力水平并在22°C的溫度條件下保持4h，取這個(gè)時(shí)段結(jié)束時(shí)的應(yīng)變值 作為用于裁剪下料的回縮補(bǔ)償值。
[0009] (3)在22°C條件下，將煒向應(yīng)變保持在預(yù)應(yīng)力水平（與第二步相銜接），經(jīng)向應(yīng)力 增加到最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值的1/2,記錄從預(yù)應(yīng)力狀態(tài)開始的經(jīng)向應(yīng)變增量及新的煒向應(yīng)力。將 記錄所得的經(jīng)、煒向應(yīng)力、應(yīng)變值帶入式（1-2)可直接得到EAdP EA。的值。
[0010] = O1s + EAxSx', σΓ - σ}Γ EArer :(1.):
[0011] σ χ= σ ' x+EAc ε y; σ y= σ ' y+EAc ε x (2)
[0012] 式中。χ、〇y為經(jīng)、煒向總應(yīng)力，<為經(jīng)、煒向預(yù)應(yīng)力，EA x、EAy為經(jīng)、煒向主剛 度系數(shù)，EA。為從剛度系數(shù)，ε x、ey為經(jīng)、煒向應(yīng)變。
[0013] (4)在22°C條件下，將經(jīng)向應(yīng)變保持在預(yù)應(yīng)力水平，煒向應(yīng)力增加到最大應(yīng)力設(shè) 計(jì)值的1/2,記錄煒向應(yīng)變增量及新的經(jīng)向應(yīng)力。將其值帶入式（1-2)，再次得到EAdP EA。 的值。
[0014] (5)EA。的值可以?。?) (4)兩次結(jié)果的平均值，還可以從預(yù)應(yīng)力狀態(tài)同時(shí)增大經(jīng)向 和煒向的應(yīng)力并記錄相應(yīng)的應(yīng)變增量，以此來檢驗(yàn)測得的材料性能指標(biāo)。
[0015] 日本膜結(jié)構(gòu)行業(yè)協(xié)會推薦的測試方法中采用的試驗(yàn)機(jī)尺寸較小，該方法的加載制 度是在膜材預(yù)應(yīng)力水平與設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)力水平之間，膜材沿經(jīng)、煒向按照不同的荷載比例進(jìn) 行加載，這種方法模擬的膜面應(yīng)力狀態(tài)更接近于曲率較小的膜面或平膜面的應(yīng)力狀態(tài)，而 與曲率較大的負(fù)高斯膜曲面的實(shí)際應(yīng)力有一定的差別，具體的測試步驟如下：
[0016] (1)保持試樣經(jīng)向、煒向的拉伸速率比例為1 :1，沿標(biāo)準(zhǔn)拉伸軸按照恒定拉伸速率 加載至拉伸最大荷載（最大荷載取膜材經(jīng)向、煒向的抗拉強(qiáng)度中較低值的1/4)，并記錄此 時(shí)荷載一應(yīng)變曲線。
[0017] (2)加載后立即卸載。卸載過程中保持和加載過程中相同的收縮速率比例。當(dāng)荷 載到0后立即重復(fù)步驟（1)。
[0018] (3)重復(fù)以上步驟三次。
[0019] (4)按照恒定拉伸速率，以預(yù)先確定的拉伸速率比例施加荷載，并記錄荷載一應(yīng)變 曲線。
[0020] (5)重復(fù)步驟⑴~⑶后，在下一組預(yù)先確定的加載比例下重復(fù)步驟（4)。
[0021] (6)依次按照所有的預(yù)先確定的加載比例，重復(fù)步驟（1)~（5)。
[0022] 其中，標(biāo)準(zhǔn)拉伸軸與拉伸速率較大的方向一致。當(dāng)拉伸比例為1:1時(shí)，與膜材經(jīng)向 一致。試驗(yàn)中使用的拉伸速率比例分別為1:1、2 :1、1:2、1:0、0:1。采用最小二乘法計(jì)算彈 性模量和泊松比。取三次試驗(yàn)計(jì)算的平均值作為最終的試驗(yàn)結(jié)果。
[0023] 在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中，膜面作為結(jié)構(gòu)的一部分，大都暴露在空氣中，其不可避免地 要受到風(fēng)荷載的作用，風(fēng)荷載對膜結(jié)構(gòu)的作用表現(xiàn)為循環(huán)荷載作用，這必然會使膜材產(chǎn)生 殘余變形，減小膜材原有的預(yù)張力，影響到膜材的使用。尤其對于張拉膜結(jié)構(gòu)。因此在現(xiàn)有 測試方法中多采用循環(huán)拉伸的方法來模擬風(fēng)、雪等荷載對膜材力學(xué)性能的影響，研究表明 經(jīng)過多次循環(huán)拉伸后，膜材接近于線彈性材料。但是，循環(huán)拉伸不是"萬能"的，并不能反 映膜材在實(shí)際工程應(yīng)用中的所有情況。比如，膜結(jié)構(gòu)裁剪縮小率確定時(shí)，由于膜面張拉成形 時(shí)，施工對象為全新的膜材，呈現(xiàn)出顯著的非線性和粘彈性，在第一次張拉成形之后，會發(fā) 生明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，為了解決該問題，往往采用超張拉或者二次張拉的方法來彌補(bǔ)膜 面應(yīng)力的缺失。在整個(gè)過程中，膜面張力都比較小，即便采取超張拉方式，也不會超過預(yù)張 力（PTFE膜材一般是4kN/m，PVC膜材一般是3kN/m)的2倍，這與測試方法所采用的循環(huán) 應(yīng)力幅的上限（一般在15-20kN/m)相差甚遠(yuǎn)。而現(xiàn)有研究表明，在不同循環(huán)應(yīng)力幅下，膜 材料的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律差別很大（PTFE膜材力學(xué)性能及抗力不定性分析[J].建筑材料學(xué)報(bào)， 2014,17 (4)，726-733)，這是由于膜材料屬于典型的粘彈性材料，受加載條件和歷程影響明 顯。
[0024] 現(xiàn)有彈性模量的測試方法是先經(jīng)過大循環(huán)應(yīng)力幅循環(huán)拉伸，再進(jìn)行多個(gè)應(yīng)力比例 的雙軸拉伸試驗(yàn)，采用最小二乘法測得材料的彈性模量。針對實(shí)際結(jié)構(gòu)中的荷載態(tài)分析，在 實(shí)際結(jié)構(gòu)中膜材料往往經(jīng)過風(fēng)、雪等荷載的循環(huán)往復(fù)作用，此時(shí)材料接近于線彈性，此類方 法并不適合于模型試驗(yàn)中膜材料的實(shí)際力學(xué)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0025] 本發(fā)明的目的是要提供一種方法簡單、易于操作、可控性強(qiáng)的適用于模型試驗(yàn)中 涂層織物類膜材的彈性模量測試方法。
[0026] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：該膜材的雙軸拉伸試驗(yàn)方法包括：根據(jù)模型試驗(yàn)中 的材料受力情況，對材料進(jìn)行簡單加載處理之后，結(jié)合常規(guī)的雙軸試驗(yàn)，即可得出膜材在雙 軸拉伸試驗(yàn)下的彈性模量；具體步驟如下：
[0027] (1)針對模型中的膜材料，裁成標(biāo)準(zhǔn)十字形切縫試件，保證裁剪時(shí)每個(gè)伸臂端的裁 剪方向與纖維方向平行，不破壞纖維的完整性；試件沿懸臂方向間隔5cm做均勻切縫處理， 試樣過渡處采用圓弧處理；
[0028] (2)采用膜材雙軸拉伸試驗(yàn)機(jī)，對膜材進(jìn)行安裝，保證安裝時(shí)沒有應(yīng)力產(chǎn)生；應(yīng)力 測試點(diǎn)設(shè)在試件中心，在加載過程中同時(shí)在經(jīng)煒兩向量測，位移采用電子位移計(jì)量測，將插 針牢固連接于位移計(jì)的頭尾兩處，按照事先做好的標(biāo)記線插入膜材試件并固定，以此測量 張拉過程中膜材試件上標(biāo)記線的位移量；
[0029] (3)張拉時(shí)外力方向與膜材經(jīng)煒向保持一致，試驗(yàn)前先在經(jīng)煒向上施加100N的預(yù) 張力，并維持30分鐘；
[0030] (4)試驗(yàn)以恒定速度進(jìn)行張拉，試件分別進(jìn)行拉伸應(yīng)力比為1:1、2:1、1 :2、3:1、 1:3、1:5、5:1、0:1、1:0的九組拉伸試驗(yàn)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)取到最大破壞荷載的80% ;
[0031] (5)運(yùn)用最小二乘法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得：
[0032] S = Σ {(EnNXi+E12NY「ε Xi)2+ (E22NYi+E12Nx「ε Yi)2}
[0033] + Σ {(E11Nxi- ε Xi)2} + Σ {(E22Nyi- ε Yi)2}
[0034] 其中：
[0035]
[0036] 式中的S為殘差平方和，Nx為水平方向的最大拉力，Ny為豎直方向的最大拉力，ε x 為材料水平方向的應(yīng)變，ε y為材料豎直方向的應(yīng)變，E n、E12、E22為彈性常數(shù)，E x為材料水平 方向的彈性模量，匕為材料豎直方向的彈性模量，V χγ、νγχ為材料的泊松比，t為試件的寬 度；最小二乘法是在某一區(qū)間內(nèi)，使連續(xù)函數(shù)與其逼近函數(shù)的殘差平方和最小的優(yōu)化逼近 方法；
[0037] 考慮到E1 i、E12、E22相互獨(dú)立，有
[0038]
[0039] 可求出未知變量En、E12、E22，同時(shí)考慮彈性模量和泊松比的互逆關(guān)系，即Ε χ/Εγ = V χγ/ V YX，可進(jìn)一步求出Εχ、EY、Vxy和V γχ，即得到膜材料的經(jīng)、煒向彈性模量和泊松比。
[0040] 有益效果，由于采用了上述方案，本發(fā)明適用于模型試驗(yàn)中的膜材彈性模量和泊 松比的獲取，采用雙軸拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試件采用十字形切縫雙軸試件，張拉時(shí) 外力方向與膜材經(jīng)煒向保持一致；試驗(yàn)前先沿膜材經(jīng)煒向上施加一定的預(yù)張力，維持一定 時(shí)間；然后，進(jìn)行多個(gè)應(yīng)力比例的拉伸試驗(yàn)，直到材料破壞，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；最后，基于線彈 性、各向異性的假定，采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得出膜材在雙軸拉伸試驗(yàn)下的 彈性模量和泊松比。與德國及日本的測試方法相比，本發(fā)明測試采用的試件尺寸適中，易于 裁剪，試驗(yàn)過程簡單、可操作性強(qiáng)，加載制度更加符合模型試驗(yàn)的加載過程，能夠準(zhǔn)確反映 膜材料的實(shí)際受力狀態(tài)，在材料彈性參數(shù)的獲取上更加精確。
[0041] 優(yōu)點(diǎn)：適用于獲得模型試驗(yàn)中膜材料的彈性模量，采用雙軸拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行拉 伸試驗(yàn)，通過設(shè)計(jì)簡單的加載制度，用以模擬膜材料在模型試驗(yàn)中的受力狀態(tài)，準(zhǔn)確把握膜 材料在模型試驗(yàn)中的力學(xué)響應(yīng)，測得準(zhǔn)確的彈性模量。相比傳統(tǒng)方法來講，本試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的 測試方法更能夠