pvc涂层织物离轴拉伸力学性能的形状效应分析

摘要

本文选用聚氯乙烯（PVC）涂层织物，研究其在0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°等不同离轴角下的离轴拉伸行为。在实验中，对哑铃形和条形试件进行了形状效应分析。利用数字图像相关（DIC）非接触全场测量系统研究了应变分布的变化。通过分析试件的形状和离轴角度，预测形状效应的影响。结果表明，涂层织物的纵向应变和剪切应变明显对称于离轴方向。两种材料的剪切应变分布基本相同，但纵向应变场不同。材料的离轴拉伸性能具有明显的各向异性和非线性。试件的拉伸试验曲线主要由三个阶段组成：初始线性阶段、变形强化阶段和应力强化阶段。在0°时，拉伸强度最大，断裂伸长率最小。相反，在45°时，断裂伸长率最高，抗拉强度最小。其他离轴角度下的特性介于这两个极端之间。

1.介绍

涂层织物是由高强度纤维和高分子涂层材料组成的复合材料，其力学性能具有明显的各向异性[1，2］．由于膜结构表面的弯曲，切割后材料的主要方向和应力有一定的偏差。这对膜结构的设计有很大的影响，这就要求膜材料的工程测定更加严格。

抗拉强度是膜结构设计中重要的力学性能参数之一。在目前的研究中，人们使用各种测试方法来确定材料的抗拉强度。单轴拉伸试验所用的试样和加载条件相对简单。因此，该试验不仅被广泛使用，而且在国家标准中也被推荐使用[3.]目前，大多数拉伸试验是沿着涂层织物的长轴进行的。虽然已经对涂层织物的拉伸试验进行了一些研究[4- - - - - -6]，分析了涂层织物的拉伸性能和断裂机理，现有的研究主要集中在涂层织物的力学性能（如拉伸强度、断裂伸长率和弹性模量）此外，这些研究中使用的常规大变形位移计、引伸计和其他设备在精度和适用性方面存在局限性，无法准确获得全场应变。近年来，数字图像相关（DIC）技术和方法有了很大的改进[7］．测试时可以记录结构的全场变形信息，便于观察结构的力学响应，为研究结构和材料的力学性能提供数据[8，9]山口先生[10] Peters和Ranson [11]在实验中首次使用DIC方法。之后，逐步采用该方法测量物体的表面特征和三维位移。目前，该方法已广泛应用于工程复合材料力学性能的研究。许多结果表明，DIC技术在测量表面变形方面更为精确[12- - - - - -14］．

本研究选取两种形状的聚氯乙烯（PVC）涂层织物进行离轴拉伸试验，并采用非接触式全场测量系统记录试样；得到了膜材料的全场应变分布。本文分析了不同离轴度和形状下的力学性能和应变分布。

2.离轴拉伸试验

2．1.标本和设备

在离轴拉伸试验中，选择hld950a涂层织物作为研究对象，其面积密度为950 g/m²，厚度为0.7 mm，经纬方向抗拉强度分别为88kn /m和84kn /m。基于《膜结构检验技术规范》，万能试验机应用于单轴拉伸试验[15]材料的变形和受力由试验机上配备的大变形位移计和高精度称重传感器记录。

离轴拉伸试验的试样有两种不同的形状：哑铃形和条形。试样的具体尺寸也是根据“膜结构检验技术规范”选择的[15］．根据形状效应分析设计了不同尺寸的试件，如图所示1．将离轴角分别为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°的试样从纬线方向切割制备离轴试样，拉伸速率准静态为100 mm/min。相同的工作条件重复3次。测试过程中，相对湿度保持在65±3%，温度保持在23±2℃。力-位移曲线由与万能试验机连接的计算机记录。

实验采用了一种基于DIC算法的非接触式全场测量系统VIC-3D。采用高分辨率(3264 × 2448) CCD相机和Tokina-AT-X F4 Pro DX镜头记录不同阶段的图像。DIC技术通过比较图像子集之间的变形信息变化来进行一系列的计算。然后，得到了物体表面的位移场和应变场。该测试需要两个或多个阵列图像采集设备来采集预制散斑涂层试样的变形过程图像，通过配套软件的对比、计算和后处理，可以获得三维全场应变数据分布的视觉信息。相应的测试设置如图所示2．

3.测试结果及分析

本文主要分析了试件平面上的纵向应变和剪切应变。这是因为试验机的上下夹具保持在同一平面上，拉伸方向是沿垂直方向(纵向)的。通过对比分析试验机与VIC-3D系统的测试结果，研究了涂层织物的离轴拉伸性能。

3.1. 纵向应变

数字3.显示了试验过程中哑铃形和条形试样的纵向应变场分布。纵向应变场以纤维的方向(离轴方向)为轴对称分布。应变集中在中间矩形区域，分布均匀。其次，哑铃形试件不同区域的应力区域也不同。因此，最小应变接近0，发生在夹紧端两侧的梯形区域。而哑铃形试件倒角处存在应力集中现象，且在此区域出现高应变区，特别是在0°和90°方向(图)3(一个)和3（d））.这也是为什么大多数试样最终从倒角断裂，断裂是平的原因。

在离轴拉伸试验过程中，条形试件的纵向应变均匀分布于整个试验区。虽然夹紧两端都用粗麻布作缓冲，但夹紧两端的应变仍高于中间区域。随着离轴角从0°(90°)到45°的变化，纵向应变不断增大;试样在0°(经纱)和90°(纬纱)处的最终破坏主要发生在中间位置，断裂呈扁平状。而其他离轴试样的断口呈之字形。出现这种现象的原因是夹具对试件两端宽度方向的变形有一定的限制，在夹紧的两端产生了很大的剪切应力，从而在该位置造成了断裂。

此外，还发现在试样的自由边界偶尔会出现一些小区域的高应变。当试样处于自由(卸载)状态时，这些区域会产生微裂纹或微孔洞，这些微裂纹或微孔洞可能会留在预制试样中。

从不同离轴角的角度来看，试样的纵向应变场随离轴角的变化有规律。随着离轴角从0°到45°和从90°到45°的变化，纵向应变在中间矩形区域逐渐增大，在夹紧两端逐渐减小。纵向应变场随离轴角的变化呈带状分布。产生这种现象的原因是当试样受到离轴张力时，夹紧区域的经纬纤维主要受到较大的拉力。不贯穿整个试样长度的经纬纤维(只有纤维的一端被夹住或纤维的两端没有夹住)在涂层界面处受到较低的拉力和较不明显的剪切作用。当离轴角接近45°时，夹紧两端延伸的纤维数量和纤维上的拉力逐渐减小。因此，纵向应变逐渐减小。穿过试样的纤维与拉伸力方向不一致，导致纵向应变场呈现出与离轴方向相关的带状分布。

该实验避免了单个像素测量结果中的较大偶然误差，并全面比较和分析了试样不同区域的应变分布。通过选择哑铃形试样和条形试样，实验分析整个试验区域内所有像素的纵向应变平均值（A0），并分析在试样中心拾取的正方形区域内所有像素的应变平均值（R0）。如图所示4，红线包围的区域代表A0，而蓝线包围的区域代表R0。

数字5给出了哑铃形试件纵向应变随时间的变化曲线。这些数据通过VIC-3D系统和万能试验机进行测量。从图中可以看出，试样的纵向应变基本随时间呈线性增加，尤其是试验机测得的应变值。出现这种现象是因为试验是以恒定的位移速率进行的。对于哑铃形试样，R0处的平均纵向应变大于A0处，且间隙随时间增大。这是因为哑铃形试件的中间区域宽度最小，在相同的拉伸力下，中间区域受到的应力最大。相比之下，夹紧的两端承受的应力更小。因此，A0中的纵向应变平均小于R0中的纵向应变。与试验机测得的纵向应变相比，3D-DIC测得的R0中的纵向应变较大。

strip-shaped标本,标本的纵向应变场分布更平均地在整个测试区域,所以R0的纵向应变和A0衡量3 d-dic基本上是相同的,和纵向菌株之间的差距来衡量试验机比这小得多的哑铃型标本。

以下变量定义适用于表1:为试验机测得的纵向极限应变;和分别表示通过VIC-3D测量的A0和R0纵向极限应变；以及和表示A0和R0中的纵向极限应变与试验机测得的纵向极限应变的相对偏差，计算公式为 和 ．

通过以上分析可知，在离轴拉伸试验过程中，试样表面的纵向应变分布不均匀。根据选定的试验区域的位置，VIC-3D系统计算的纵向应变不同;因此，纵向应变与每个像素点的位置有一定的关系。因此，为了进一步研究试样表面的纵向应变分布规律，在VIC-3D系统的试验区绘制了一条沿试样纵轴从上到下的垂线。样品的初始尺寸为200mm，因此在纵轴上取200px。默认情况下，顶部端点被标记为0，而底部端点被标记为199。然后,图6绘制以反映纵向极限应变（试样断裂前的纵向应变）与像素位置之间的关系。

数字6结果表明，试件的纵向极限应变在99像素(试件的水平轴)一侧对称分布。对于哑铃形试样，当像素点从夹紧端向中间区域变化时，纵向应变逐渐增大，中间带区的应变基本相同。这是因为试件的横截面积从夹紧两端到中间区域逐渐减小，截面上的应力逐渐增大。随着与经纬的偏差角度增大，夹紧两端与中间区域之间的应变间隙增大，如图所示3.．对于条形试件，整个中心轴的纵向极限应变缺口较小，进一步说明条形试件的纵向应变比哑铃形试件的纵向应变分布更均匀。此外，可以看出，哑铃形和条形试件的纵向极限应变在0°处最小，在45°处最大，在90°处中值。随着夹角从0°到45°再到90°的变化，涂层织物的纵向极限应变先增大后减小，这主要由涂层织物的编织结构决定。

３.２．剪切应变

对于哑铃形试件和条形试件，如图所示7显示了离轴拉伸试验过程中它们的剪切应变场的分布和变化。试件的剪切应变场在离轴方向上也是对称分布的。中间带的哑铃形试件的剪切应变场与条形试件的剪切应变场基本相同。随着拉伸力的增大，剪切应变增大。哑铃形试件中部剪切应变较大，而条形试件除夹紧两端外，剪切应变分布较为均匀。通过改变离轴角，对比试件相应的剪切应变场，发现试件在整个试验过程中，在0°和90°处的剪切应变较小，剪切应变约为0。在45°时，剪切应变增加更快，在相同的拉伸力下可以达到最大值，而其他方向的剪切应变值介于这两个极端之间。

为了更清晰地分析涂层织物的剪切应变与离轴角的关系，我们在图中选取了各离轴角的最大剪切应变8. 最大剪应变以45°为轴对称变化。当材料在0°和90°进行试验时，0°（经纱）和90°（纬纱）处的最大剪切应变约为0，其中经纱和纬纱的方向与拉伸载荷方向一致。在此条件下，涂层织物主要承受法向应力，并承受少量剪切应力；因此，主要变形是纤维伸长。从15°（75°）到45°时，涂层织物的最大剪切应变逐渐增大。这是因为在离轴拉伸试验过程中，拉伸载荷的方向与经纱纤维的方向之间存在一定的角度。经纱纤维从初始位置向纵向（拉伸方向）偏转，使经纱纤维与纬纱纤维之间的夹角变宽；因此，剪切应变为负值。此外，材料的涂层界面对纤维也有一定的剪切作用，最终导致较大的剪切应变。此外，还发现偏离经纱方向（0°、15°和30°）会导致更大的最大剪切应变，对应于偏离纬纱方向（90°、75°和60°）。这种行为与基础织物的纤维织造工艺有关，其中经纱纤维是直的，纬纱纤维略微弯曲。当离轴角大于45°时，纬纱纤维主要延伸至整个试样。在离轴拉伸试验过程中，只有当纬纱纤维完全矫直时，才会发生偏转。因此，偏离经纱方向会导致比偏离纬纱方向更大的最大剪切应变。

当哑铃形试件和条形试件分别为A0和R0时，最大剪切应变结果如表所示2．45°处的最大剪切应变约为经纬方向的40倍。两区最大剪切应变值存在一定偏差，特别是哑铃型试件。出现这种现象的原因是，随着与经纬方向夹角的增大，穿过试样的纤维数量逐渐减少，并且在中心区域(R0)的纤维比夹紧两端的纤维更多。此外，这些延伸的纤维被固定在夹紧的两端，因此它们在离轴拉伸测试过程中会产生较大的挠度。未延伸至整个试样的纤维受到的拉伸力较小，涂层的剪切效应不明显，涂层主要从基布中提取，因此R0中的最大剪切应变大于A0。

在桌子上，和为VIC-3D系统在材料主方向坐标系下测量的A0和R0区域的最大剪切应变，而表示A0区域的最大剪切应变与R0区域的最大剪切应变之间的相对偏差，其表达式为 ．

３．３．离轴拉伸测试曲线

数字9表明，3D-DIC系统得到的应力-应变曲线与试验曲线基本一致。在应力小于16kn /m范围内，3D-DIC曲线与试验曲线基本吻合。随着应力的增加，3D-DIC曲线逐渐偏离测试曲线。发生这种偏差是因为与经纬的偏差增加导致通过试样的纤维数量减少。在拉伸测试过程中，随着偏离经度和纬度角的增大，3D-DIC曲线与测试曲线的差距也逐渐增大。在拉伸加载的后期，纤维被拉离原始位置并向拉伸加载方向偏移。结果表明，试件中部应变与夹紧两端应变的差值增大。从试验机数据计算的名义应变不能反映这种差异。材料的离轴拉伸试验曲线具有明显的非线性。离轴角较小的0°、15°、75°和90°曲线可分为三段。 The first stage is the initial linear section, in which the material is linear elastic. The second stage is the strain strengthening stage, in which the tensile curve begins to change nonlinearly, the strain increases faster, and the stiffness of the material gradually decreases. The third stage is the stress strengthening stage, in which the stress–strain curve becomes linear again. The tensile modulus of the material gradually increases, and the stress–strain curve at large off-axis angles of 30°, 45°, and 60° can be divided into two stages, namely, the initial linear stage and the stress strengthening stage.

涂层织物的力学性能具有明显的各向异性，其拉伸强度和断裂伸长率受离轴方向的影响较大。在0°方向(经纱方向)测试时，涂层织物的拉伸强度最大，断裂伸长率最小，其次为90°。在45°方向测试时，断裂伸长率最大，而拉伸强度最小。其他离轴角的对应值在这两个极端之间。涂层织物的力学性能主要由织物中纤维的种类决定。在织造基布的过程中，经纱纤维受机器预紧控制，几乎完全伸直。但是，由于纬纱纤维在经纱纤维之间是按照一定的规律交织编织的，所以纬纱纤维不像经纱纤维那样直(即纬纱纤维有一定程度的弯曲)。在测试过程中，首先将纬纱完全拉直，因此90°断裂伸长率大于0°断裂伸长率。试验结果表明，在离轴角为30°和60°时，试件的纵向应变和剪切应变较大;即涂层织物处于拉伸-剪切耦合状态。 Under the combined action of normal stress and shear stress, the penetrating fibers in the middle of the specimen are broken, and partially penetrated fibers on both sides are extracted from the matrix. The fibers in the whole cross section are destroyed, which eventually leads to specimen being destroyed. The decrease in fiber utilization weakens the tensile strength of the coated fabrics. When the tensile load is applied in the 45° direction, the coated fabrics are in the in-plane shear state with maximum shear strain. Under these conditions, the damage to the fiber structure is accelerated, and the utilization of the fibers is minimized, resulting in the minimum tensile strength.

4.结论

本文采用非接触式全场测量系统对pvc涂层织物的离轴拉伸性能进行了实验研究。在试验中，分析了整个拉伸试验过程中纵向应变和剪切应变分布的变化。对比不同试件形状和不同测试区域测试结果的影响，主要结论如下:(1）涂层织物的纵向应变场在离轴方向上明显对称分布，纵向应变场中两种试样形状存在一定的差异，哑铃形试样的纵向应变集中在试样的中长方形区域。.在梯形区域之后，夹持两端的纵向应变最小，而倒角处有一个高应变区域。整个试验区域的平均纵向应变小于中心区域的纵向应变。随着与经纱和纬纱的偏差增大，纵向应变数据试验机计算的纵向应变更接近中心区域。对于条形试样，纵向应变沿拉伸载荷方向分布更均匀，夹紧端附近的应变略大。两个试验区域的纵向应变与试验机计算的纵向应变基本相同试验机。（2)在拉伸试验过程中，涂层织物的剪切应变逐渐增大。剪切应变场在离轴方向上也呈对称分布，两种不同形状试样的剪切应变分布基本相同。最大剪切应变出现在离轴角45°处，随偏离逐渐减小。拉伸变形主要发生在0°和90°方向，剪切应变基本为零。偏离经纱方向比偏离纬纱方向产生更大的最大剪切应变。（3)涂层织物的离轴拉伸性能具有明显的各向异性和非线性，拉伸试验过程可分为三个阶段：初始线性阶段、变形强化阶段和应力强化阶段。在0°时，拉伸强度最大，断裂伸长率最小，其次是90°。45°时，断裂伸长率最大，抗拉强度最小。其他角度的数据介于两者之间。

数据可用性

本研究中包含的所有数据均可通过通讯作者请求获得。

的利益冲突

作者声明他们在这篇论文的发表上没有利益冲突。

致谢

该项目得到中国国家自然科学基金（51678563）、江苏市建筑技术职业技术学院（YJA317—06）、中华人民共和国住房和城乡建设部（2017～K1-2000）、江苏省住房和城乡建设部的资助。（2018ZD247）和徐州科学研究计划（KC19013）。

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