經(jīng)編雙軸向及柔性復(fù)合材料應(yīng)力松弛性能的研究

經(jīng)編雙軸向及柔性復(fù)合材料應(yīng)力松弛性能的研究

材料的應(yīng)力衰減是一種現(xiàn)象，隨著延長變形的均勻遷移，材料中的應(yīng)力隨著時間的推移而逐漸減小。當(dāng)柔性紡織復(fù)合材料應(yīng)用于燈箱廣告布、家庭游泳池等場合時,由于長時間受到拉伸力的作用,會發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛的現(xiàn)象,是柔性復(fù)合材料長期工作的特性。在上述應(yīng)用中,成品的變形越小,應(yīng)力的保持率越高,它的使用價值就會越高。因此,預(yù)測這類材料的應(yīng)力松弛是非常重要的。應(yīng)力松弛和蠕變現(xiàn)象是粘彈性固體的典型表現(xiàn),纖維的力學(xué)性能兼有彈性固體和粘性流體的變形特征。對纖維及其制品進行研究和描述,通常采用三元件力學(xué)模型。柔性紡織復(fù)合材料的力學(xué)性能由基布纖維的粘彈性、基布組織結(jié)構(gòu)及涂層材料的性能共同決定。因此,能否用三元件模型模擬實際織物的應(yīng)力松弛性能值得探討。本文對不同結(jié)構(gòu)的PVC涂層滌綸織物進行了實驗研究,以進行檢驗和比較不同的三元件模型描述紡織復(fù)合材料的應(yīng)力松弛特性的適應(yīng)性。1應(yīng)力松弛基本方程理論上講,實際的紡織材料的粘彈性力學(xué)行為是非線性的,并存在一個松弛時間譜的力學(xué)模型。但在實際應(yīng)用中常采用一個平均松弛時間的三元件模型來描述。這里引入3種力學(xué)模型,見圖1。在圖1(a)中,彈簧E1和E2是虎克型的,E1和E2分別為彈簧的彈性模量。圖1(b)中,σ=bε2,b為彈簧的彈性常數(shù),粘壺是牛頓型的,η為粘滯系數(shù)。圖1(c)是歐林模型,用常數(shù)α、β定義的活化粘壺來代替標(biāo)準(zhǔn)線性固體力學(xué)模型中的牛頓粘壺,活化粘壺的粘性流動成雙曲線正弦規(guī)律,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式為dεdt=βsinhafdεdt=βsinhaf。3個模型的本構(gòu)關(guān)系方程為:模型(a)dσdt+E1ησ=(E1+E2)dεdt+E1E2ηε(1)dσdt+E1ησ=(E1+E2)dεdt+E1E2ηε(1)模型(b)dσdt+Eησ=(E+2bε)dεdt+Ebηε2(2)dσdt+Eησ=(E+2bε)dεdt+Ebηε2(2)模型(c)dσdt[(E1+E2)ε-σ]=E1βsinhα(σ-E2ε)(3)dσdt[(E1+E2)ε?σ]=E1βsinhα(σ?E2ε)(3)在應(yīng)力松弛試樣中,ε=εc=常數(shù)。對于模型(a)、(b),有初始條件:σ0=(E1+E2)εc和σ0=Eεc+bε2;而對于模型(c),當(dāng)t=∞時,σ∞=E2εc。將各條件帶入方程式(1)、(2)、(3)中,得到模型的應(yīng)力松弛方程式:模型(a)σ(t)=E2εc+E1εce-E1t/η(4)模型(b)σ(t)=bε2c+Eεce-Et/η(5)模型(c)參照文獻等人對歐林模型對應(yīng)力松弛性能模擬方程的簡化,得到σ(t)?σ∞+1αln2εcαβ(σ0-σ∞)-1αlnt=E2εc+1αln2εcαβ(σ0-σ∞)-1αlntσ(t)?σ∞+1αln2εcαβ(σ0?σ∞)?1αlnt=E2εc+1αln2εcαβ(σ0?σ∞)?1αlnt觀察上式可以發(fā)現(xiàn),應(yīng)力松弛時的應(yīng)力與時間的對數(shù)成直線關(guān)系。因此將其進一步簡化為:σ(t)=a+b+clnt(6)其中,a=E2εc?b=1αln2εcαβ(σ0-σ∞)?c=-1α。2試驗參數(shù)本試驗的目的是為了采用線性和兩個非線性三元件模型對柔性紡織復(fù)合材料的應(yīng)力松弛性能進行模擬,比較不同模型的模擬曲線。試驗時,分別采用經(jīng)編雙軸向和機織涂層織物進行經(jīng)向測試,試樣基本參數(shù)見表1,試樣尺寸2.5×10cm。在島津AG-10材料試驗機上分別對以上兩種試樣進行應(yīng)力松弛試驗,夾距為100mm,以100min/mm速度等速拉伸10mm后停止。根據(jù)島津AG-10材料試驗機的程序設(shè)定,程序每隔5s讀取一個負(fù)荷數(shù)據(jù),10個點后,每隔10s讀取一次,每個試樣試驗歷時800s,讀取85個數(shù)據(jù)點。由這些試驗數(shù)據(jù),利用方程式(4)、(5)、(6),利用Matlab軟件,采用最小二乘法求得方程的力學(xué)模型擬合參數(shù),畫出擬合曲線。3紡織品粘彈性與非線性彈簧擬合曲線的對比按上述方案進行試驗后,由模型方程,通過Matlab計算求得3個模型的擬合參數(shù)列于表2,并通過相關(guān)系數(shù)R來評價實測點與模擬曲線之間的吻合程度。實測點和模擬曲線分別見圖2和圖3所示,圖中均顯示兩條曲線,是因為標(biāo)準(zhǔn)線性三元件模型和并聯(lián)一個非線性彈簧的三元件模型的擬合曲線重合。從方程式(4)、(5)可以看出,兩者均為σ(t)=a+be-ct的形式,利用Matlab采用最小二乘法對同一組數(shù)據(jù)進行模擬時,結(jié)果必然相同。同時,從曲線圖以及相關(guān)系數(shù)R值可以看出,采用簡化的歐林模型對數(shù)據(jù)進行擬合得到的曲線與實測點非常吻合。這是由于實際紡織材料的粘彈性是非線性的,非線性粘彈性的產(chǎn)生是由于纖維中無定形區(qū)中分子鏈段的流動。歐林模型中的雙曲正弦流動規(guī)律的粘壺正是這種分子鏈段流動規(guī)律的模擬,而模型(b)采用的非線性彈簧就不能很好的模擬此流動規(guī)律。說明歐林模型可以更好地對經(jīng)編及機織基布的柔性復(fù)合材料的應(yīng)力松弛性能進行模擬。4應(yīng)力松弛性能模型模擬(1)采用線性和非線性的三元件力學(xué)模型可以對柔性復(fù)合材料的應(yīng)力松弛性能進行模擬,曲線起始