薄膜材料雙軸拉伸試驗及云紋干涉大應(yīng)變量測

薄膜材料雙軸拉伸試驗及云紋干涉大應(yīng)變量測

一、薄膜材料的本構(gòu)關(guān)系膜結(jié)構(gòu)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新結(jié)構(gòu)形式。其優(yōu)美快的造型、相對低廉的造價、合理的結(jié)構(gòu)原理以及高速簡便的施工工藝,使得這種結(jié)構(gòu)形式得到建筑師、工程師以及大眾的青睞。目前在世界各地已經(jīng)建造了數(shù)百個這種結(jié)構(gòu)形式的建筑。在薄膜結(jié)構(gòu)的實施過程中,一個主要的問題就是薄膜材料特性的研究。薄膜材料是一種由基材和涂層兩種成分組成的復(fù)合材料?；囊话闶怯刹ＡЮw維或聚酯纖維構(gòu)成的兩簇細(xì)股以特定的模式編織而成的織物。沿織物的長向為經(jīng)線,寬度方向為緯線。在織物平面上,經(jīng)緯線互相垂直。由于經(jīng)緯線性能各異,因此織物應(yīng)該認(rèn)為正交各向異性的。涂層一般為聚乙烯樹酯、硅樹酯或聚四氟已烯。薄膜材料沒有彎曲剛度,僅能抵抗拉力。薄膜張拉力提供剛度,使結(jié)構(gòu)保持形狀,避免過大的變形和抖顫。薄膜必須剪裁成當(dāng)連接在一起并在受拉后能產(chǎn)生所需整體形狀的形式。如果要得到?jīng)]有松弛區(qū)域和初始應(yīng)力剪中區(qū)域的形狀,就必須對薄膜材料的本構(gòu)關(guān)系有清楚的認(rèn)識。此外,為了得到結(jié)構(gòu)在受荷時的真實位移和應(yīng)力分布,亦需要以本構(gòu)關(guān)系為基礎(chǔ)。因此對薄膜材料的受力特性,特別是與結(jié)構(gòu)中雙向受拉狀態(tài)相符的受力特性的研究是必要的。二、一般介紹試驗1.應(yīng)力彈性模量如前所述,薄膜材料被認(rèn)為是正交各向異性的。其彈性本構(gòu)關(guān)系有如下形式:{εwεfεwf}=[1Ew-vwfEf0-vfwEw1Ef0001Gwf]{σwσfτwf}(1)?????εwεfεwf?????=??????1Ew?vfwEw0?vwfEf1Ef0001Gwf???????????σwσfτwf?????(1)其中:Ew、σw和εw分別為經(jīng)向彈性模量、應(yīng)力和應(yīng)變Ef、σf和εf分別為經(jīng)向彈性模量、應(yīng)力和應(yīng)變Gw、τwf和σwf分別為剪切模量、剪應(yīng)力和剪應(yīng)變vwf和vfw為泊松比由于膜材較薄,且厚度一定,因此其應(yīng)力和彈性模量一般用膜平面內(nèi)單位長度所受的力表示,而不計其厚度的影響。對各向異性材料,要徹底分析其本構(gòu)關(guān)系,必須得到式(1)矩陣中的5個彈性常數(shù)。2.薄膜圓柱體應(yīng)力狀態(tài)變化原理試驗裝置如圖1和圖2所示,包括薄膜材料圓柱體和緊固端頭以及加壓孔和測壓孔。測壓孔接氣壓表,加壓孔空氣壓縮機,其原理是:薄膜圓柱體中的平面雙向應(yīng)力狀態(tài)可以由內(nèi)壓和軸向加載共同作用而得到:{σcr=ΡD2σax=ΤπD+ΡD4(2){σcr=PD2σax=TπD+PD4(2)其中:T—外加軸向荷載,P—內(nèi)壓,D—圓柱體直徑,σcr—環(huán)向應(yīng)力,σax—軸向應(yīng)力通過變換P和T的比值,可以得到環(huán)向和軸向拉—拉應(yīng)力的任意比例組合。薄膜材料的應(yīng)變量測采用云紋干涉法。3.加載、加載方案試驗采用的聚酯纖維涂PVC涂層的薄膜材料的基本參數(shù)如表1。根據(jù)單軸試驗所得的極限強度,把軸向荷載分為六級施加。內(nèi)壓按軸向與環(huán)向應(yīng)力比分別為1:1和2:1同步施加、加載方案見表2。加載速率為588N/分鐘,每級荷載持續(xù)5分鐘,以使膜中粘彈性應(yīng)變達(dá)到穩(wěn)定,然后用云紋干涉圖象記錄應(yīng)變。試驗在天津大學(xué)土木系30噸萬能拉力實驗機上完成。每種應(yīng)力組合的試件為4個;軸向與環(huán)向應(yīng)力比為2:1時的試件為8個,分2組,一組為經(jīng)向沿軸向,一組為緯向沿軸向。圖2為試驗全貌,圖3為試件雙向受拉時的形狀。圖4和圖5分別為單軸和雙軸拉伸狀態(tài)下的云紋干涉圖片。三、試驗處理1.云紋間距的計算圖6為云紋的示意圖。下圖給出本文量測均勻受拉場應(yīng)變的平行云紋法。將試件柵和基準(zhǔn)柵和柵線與拉伸方向垂直放置。設(shè)變形前節(jié)距相等,其值為P。當(dāng)試件無應(yīng)變時,圖6所示的柵線完全重合,沒有云紋出現(xiàn);當(dāng)拉伸時,應(yīng)變?yōu)檎?則試件柵的節(jié)距增大而成為P′。設(shè)節(jié)距增量為ΔP(ΔP<P),則:Ρ′=Ρ+ΔΡ(3)其中:a—光源的光強(一個節(jié)距的平均光強);b—云紋亮帶處的光強;c—云紋暗帶處的光強;M—基準(zhǔn)柵(節(jié)距為p);S—試件柵(節(jié)距p0=p);S′—試件柵(節(jié)距p′>p);f—相鄰云紋間距上式說明試件柵和基準(zhǔn)柵每一個柵線錯位Δp。若經(jīng)過n根基準(zhǔn)柵線后,一個柵線與試件柵線重合,形成亮帶;經(jīng)過n/2根柵線有一柵線落在試件柵透明處,形成暗帶。亮帶與暗帶相間,形成云紋。設(shè)云紋間距為f,則有:f=nΡ(4)而每個云紋間距內(nèi)試件柵線數(shù)比基準(zhǔn)柵線數(shù)少一根,即:f=(n-1)Ρ′(5)于是有:f=Ρ′ΡΡ′-Ρ(6)又ε=ΔP/PP′=P+ΔP=P(1+ε)(7)代入(6)式,有:f=Ρ2(1+ε)Ρ(1+ε)-Ρ=Ρ(1+ε)ε由此可得:ε=Ρf-Ρ(8)圖為P?f,上式可近似表示為:ε=Ρ/f(9)由于節(jié)距P是已知的,只要測出云紋間距f,就可以用上式求出垂直于柵線的均勻拉應(yīng)變。利用上述方法對本文所得的云紋圖象進行處理,并用三次樣條函數(shù)擬合,得到圖7～圖10所示的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。2.薄膜材料應(yīng)力—薄膜材料彈性常數(shù)由薄膜材料的本構(gòu)曲線可以看出,薄膜材料具有明顯的非線性和各向異性特點,而且單軸受拉和雙軸受拉以及經(jīng)、緯向應(yīng)力比不同時的本構(gòu)關(guān)系是大不相同的。要精確地表達(dá)其本構(gòu)關(guān)系是很困難的。為實際設(shè)計方便,一般采用線性化理論近似處理。本文以文獻(xiàn)推薦的方法來近似。具體如下:(1)在雙軸拉伸實驗中,選取三種經(jīng)、緯向應(yīng)力比例,得到其雙軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線;(2)將各曲線線性化,一般取用單軸極限拉伸強度的10%應(yīng)力點到零點直線段作為依據(jù);(3)假定Ew、Ef和Gwf為經(jīng)、緯向拉伸彈性模量和剪切彈性模量,υwf和υfw為泊松比,由薄膜材料的本構(gòu)關(guān)系有:{σw=εw+υwfεf1-υwfυfw?Ewσf=εf+υfwεw1-υwfυfw?Ef(10)令:v=1-υwfυfw,E11=Ew/υ,E12=υwfEw/υ,E21=υfwEf/υ,E22=Ef/υ則有:{σw=E11εw+E12εfσf=E21εw+E22εf(11)用線性化本構(gòu)關(guān)系上的應(yīng)力(Twi,Tfi)和相應(yīng)的應(yīng)變(εwi,εfi)求下面的平方和,并用最小二乘法解出其中的彈性模量和泊松比:S=Ν∑i=1[(E11εwi+E12εfi+Τwi)2+(E21εwi+E22εfi+Τfi)2](12)剪切彈性模量的測定更加困難,IASS推薦如下方法:1Gwf=4E45-1Ew-1Ef+2υwfEw(13)其中:E45是薄膜材料經(jīng)緯向與軸向成45°時的單軸拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線的線性化彈性模量。表3給出了按上述方法求出的試驗材料的彈性常數(shù)。四、薄膜材料的本構(gòu)特性本文根據(jù)充氣結(jié)構(gòu)原理,設(shè)計并完成了薄膜材料雙軸受拉試驗裝置,完成了薄膜材料在不同應(yīng)力比下的雙軸受拉試驗。試驗表明:1、薄膜材料單軸受拉與雙