涂层过程中织物拉伸对膜材料拉伸性能的影响.pdf

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1、第2 8 卷第7 期 2 0 0 7 年7 月 纺织学报 J o u m a lo fT b x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 7 J u l 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 l ( 2 0 0 7 ) 0 7 0 0 4 7 0 5 涂层过程中织物拉伸对膜材料拉伸性能的影响 罗国建1 ，丁辛1 ，陈守辉1 ，胡淳2 ( 1 东华大学纺织学院，上海2 0 1 6 2 0 ；2 上海申达科宝新材料有限公司，上海2 0 0 1 2 2 ) 摘要针对机织基布涂层前后结构相变化所导致的拉伸力学性能的变化，建立了膜材料拉伸力学的空间桁架模

2、型，旨在讨论涂层过程中织物经向拉伸对膜材料拉伸性能的影响。建模过程中分别考虑了以经纬纱屈曲转换为主 及纱线拉伸伸长为主的变形机制，用最小二乘法分段线性拟合来描述织物拉伸性能的非线性，用P v c ，P E s 膜材料 的拉伸试验验证模型的可靠性。结果表明：通过控制织物在涂层过程中的应变量，可以由涂层前织物的拉伸行为 预测涂层后膜材料的拉伸性能。 关键词建筑膜材料；机织物；空间桁架模型；拉伸性能 中图分类号：T B 3 3 2 文献标识码：A E f | F e c t s0 ff a b r i ce x t e n s i o nd u r i n gc o a t i n go nt h

3、e t e n s i l ep e r f o r m a n c eo fm e m b r a n em a t e r i a l L U OG u o j i a n l ，D I N GX i n l ，C H E NS h o u h u i l ，H UC h u n 2 ( 1 c 0 阮鲈旷7 缸t 如，D o n g 眦m 妙，髓。昭厅o i2 0 1 6 2 0 ，吼i ； 2 s n r l g h 口is e ，h d 口j ( 0 6 0 ，以V e 甜 缸e 矗bc o ，厶d ，5 h o 咖i 2 0 0 1 2 2 ，c h i n o ) A b s t

4、 r a c t C o n s i d e r i n gt h ec r i m pi n t e r c h a n g ea n dt e n s i l ee f 亿c t s o ff a b r i ci nc o a t i t l gp m c e s s ， as p a c et 1 1 l s s m o d e lf o rt h et e n s i l ep e d o 硼a n e eo fc o a t e df a b r i ca sa r c h i t e c t u r a lm e m b m n em a t e r i a li sd e v

5、e l o p e da n dt h e e f k c t so ff a b r i ce X t e n s i o ni nc o a t i n gp m c e s sa r ed i s c u s s e d I ns i m u i a “o nt h et e n s i l ed e f o H n a t i o nm e c h a n i s mo f e i t h e rc r i m pi n t e r c h a n g eo rt e n s i l ed e f o 珊a t i o no ff a b r i ci nc o a t i n gi

6、sa n a J y z e d B ym e a J l so ft h el e a s ts q u a r e m e t h o d ，t h en o n l i n e a rt e n s i l ec u r v eo ff 2 止 r i ci sa p p r o x i m a t e db ys e c t i o n so fl i n e a rf i t t i n g P V C ，P E Sc o a t e d f a b r i c sa r eu s e dt oe v a l u a t et h ef e a s i b i l i t vo ft

7、 h em o d e l I ti sd e m o n s t m t e dt h a t ，o n c et h et e n s i l ep r o p e r t i e so f af a b d ca r ek n o w na n dt h ee x t e n s i o no ft h ef a b r i ci nc o a t i n gp r o c e s si sc o n t r o l l a b l e ，t h et e n s i l ep e d o 珊a n c e s “ t h ef a b d ca f t e rc o a t i n g

8、canb ep I d i c t e d K e yw o r d s a r c h i t e c t u m lm e m b r a n em a t e r i a l ；w o v e nf a b r i c ；s p a c et r u s sm o d e l ；t e n s i l ep r o p e I t y 建筑膜材料是一种通过在织物基布上涂敷树脂 或橡胶等基本材料而制成的柔性复合材料o ，织物 细观几何结构的复杂性导致了膜材料在载荷作用下 变形机制的复杂性，而涂层材料影响了织物中纱线 在不同受力条件下的位移，使得膜材料的变形机制 显得更加复杂。现有的经典模型

9、旧- 大多建立在层板 理论的基础上从宏观角度分析膜材料的拉伸性能， 却忽略了膜材料细观几何结构变化对材料性能的影 响。此类模型适用于线弹性小变形的情况，而对非 线性和大变形的膜材料而畜，模型的分析结果与实 际情况存在较大差距b “1 。文献 5 根据纱线的屈 曲、伸长变形以及涂层材料的伸长变形建立了膜材 料拉伸本构模型，将纱线的应力应变关系和膜材料 拉伸性能的非线性联系起来，但未对反映纱线非线 性变形常数的取值作具体讨论。文献 6 基于织物 面内应变、纱线伸长变形及屈曲变形，提出了膜材料 拉伸力学性能的空间桁架模型，但没有得到试验数 据的验证。在此基础上，文献 7 用连续方程来反映 纱线屈曲变

10、形、伸长变形以及涂层材料的伸长变形 对非线性本构关系的影响，通过膜材料拉伸试验获 收稿日期：2 0 0 6 1 0 一2 5修回日期：2 0 0 7 一0 2 1 2 基金项目：上海市自然科学基金资助项目( 0 3 z R l 4 0 0 7 ) 作者简介：罗国建( 1 9 8 1 一) ，男，硕士生。研究方向为膜材料的力学性能。丁辛，通讯作者，E m a i l ：x d i n g d h u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the waterma

11、rk 4 8 纺织学报第2 8 卷 得的数据代人模型，求解本构方程，但试验值获取的 任意性将导致模拟结果的随机性。文献 8 将空间 桁架模型中的三角几何结构改为梯形几何结构，从 而增加了模型演算的复杂性，但模型的精确度并没 有因此而提高。 。 在涂层过程中织物受到经向拉伸，使涂层前后 织物的结构相和拉伸条件产生较大差异，这种差异 必然反映到膜材料力学性能的差异上，如涂层后织 物经向的初始弹性常数远大于纬向。另外，涂层前 后织物的拉伸性能也存在较大的差别，然而，迄今为 止的模型均未考虑织物基布几何结构相及初始拉伸 条件的变化对膜材料力学性能的影响，因此难以建 立织物和膜材料力学性能之间的联系。本

12、文根据膜 材料的细观力学模型，分析机织物涂层前后结构相 及初始拉伸变化对膜材料力学性能的影响，以期通 过织物的拉伸行为预测膜材料的拉伸性能。 1 膜材料拉伸行为及建模 1 1 涂层前后织物的拉伸行为 由图1 所示的涂层前织物拉伸曲线可知，其变 形情况( 以经向为例) 可近似用如下3 个线性阶段表 示：第1 阶段( 0 A 。) ，以经纱屈曲转换变形为主， 体现为低应力大变形，弹性常数J | 。较低；第2 阶段 ( A 。B 。) ，以经纱伸长变形为主，体现为高应力小 变形，经向弹性常数七。较第1 阶段高；第3 阶段( 日。 以后) ，经纱继续伸长变形，但弹性常数五。较第2 阶 段低。3 个阶段

13、产生2 个应变转折点，分别记为e ， 和e 以。与经向的情况类似，涂层前织物纬向拉伸可 分为0 A ，A ，B ，和日，以后3 个阶段，弹性常数 分别为后耵、后。和七垃，相应的应变转折点分别为。 和e n 。 织物在涂层加工过程中，经向拉伸使织物经向 产生的伸长应变为e 。，由于经纬纱的屈曲转换，纬 向产生的收缩应变为e u 。由膜材料的拉伸曲线表 明，若也采用分段表示，经向拉伸变形体现为如下几 种可能性：1 ) 当。 e 们，即为大张力涂层的情况，涂 层中经纱拉伸过大，将使膜材料的拉伸性能恶化，这 种现象在正常的加工条件下不允许产生，因此本文 不予考虑。膜材料纬向拉伸的变形机制基本等同于 涂

14、层前的织物。考虑到涂层过程中纬向已产生的应 变量e u ，膜材料纬向的应变转折点将分别为e 。一u 和s 也一e u 。 1 2 模型的建立 图2 为平纹机织膜材料单胞的空间桁架模 型阳1 。杆件l 、2 、3 、4 为屈曲的纱线( 其中一个方 向的纱线用实线表示，与之垂直方向上的纱线用虚 线表示) ，杆件6 、7 为涂层材料，杆件5 代表交织点 处垂直方向上的经纬纱及涂层材料。模型假设：杆 件单元为线弹性；在拉伸过程仅考虑杆件的几何非 线性，忽略其力学非线性，并忽略膜材料拉伸所引起 的剪切效应；涂层材料为柔性体。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purch

15、ase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第7 期罗国建等：涂层过程中织物拉伸对膜材料拉伸性能的影响 4 9 F r 图2 膜材料空间桁架模型 F i g 2S p a c et m s sm o d e lo fm e m b r a n em a t e r i a l 杆件l 、2 的长度为Z 。，杆件3 、4 的长度为f ：，杆 件5 的长度为危。+ h ：，杆件6 、7 的长度分别为2 d 。和 2 d ：。系统应变能u 等于各杆件的应变能之和，即 u ：丢奎J j i 6 ： ( 1 ) bl 式中：j 2 ；为杆件的刚度

16、；6 i 为杆件的变形。根据织物 的结构对称性可知，后。= l j ：，| | 2 ，= 后。，6 。= 6 ：，6 。= 6 。 当膜材料在l ，向受到拉伸时，因经纬纱的屈曲 转换，将导致x 向的收缩变形。相对于x 及y 向的 变形，膜材料在z 向的压缩变形可忽略不计，即 6 5 = O 。 当膜材料在y 向的应变小于织物拉伸的第1 个转折点时，即：，。( e ，。= 。或e n ，下同) ，l ，向 弹性常数为j ，由式( 1 ) 可得系统的应变能 u = j 。6 ：+ 后，6 ；+ 告后66 ：+ 告| ，6 ； ( 2 ) 应变能u 对各轴向的位移求偏导，简化得出以 下非线性方程组：

17、 仃，= 景 i ，( 1 + e ，) ( 1 一A ，) + 2 | j e e ， ( 3 ) y 向的应力和应变，叮。、e 。分别为l ，向拉伸作用下 x 向的应力和应变，仃。艿分别表示l ，向拉伸作用下 z 向的应力以及位移量。 当l ，向应变，= e ，。时，因经纬纱的屈曲转换， 使交织点在z 向产生位移为艿。 当l ，向的应变， e ，。时，l ，向弹性常数南。将会 发生改变。设杆件l 的变形大于6 ，。时，弹性常数变 为后，l o 因此，应变能表达式( 2 ) 中的后。6 ；将变为 后。6 ：。与后7 。( 6 。一6 ，。) 2 两部分之和。将应变能u 对 l ，及z 向的位

18、移求偏导后经整理，有 d ，= 轰 1 + e y l ) ( 1 一+ 州t 坞，( ，一笔) + 象址， ( 6 ) 盯，：= 乏忐【J j 。( z + 艿) ( 1 一A ”) 一( z 一艿) 州加后j ( 1 一砉) ( 7 ) 式中：A 们是将艿= 氏、= ，。代入到A ，的值。式 ( 6 ) 、( 7 ) 与式( 4 ) 组成非线性方程组。 由l ，向拉伸变形所导致x 及z 向的应力值，在 满足口，一0 ( 口。为相邻2 点应力值所产生日，的变 化量，即数值模拟计算过程中y 向应力分割得足够 小) 的条件下，亦可通过图2 所示的几何关系计算 获得： l d 2矗l d ”一百。

19、百百丁丽 1l后1 一百。瓯。百丽 。s i n 2 8 。s i n 2 口y 。口y ( 8 ) s i n 2 口y 盯y ( 9 ) 上述5 个方程( 式( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 或式( 4 ) 、( 6 ) 、 ( 7 ) 以及式( 8 ) 、( 9 ) ) 中共有6 个变量，即3 个应力变 量仃，、盯，、盯州2 个应变变量，、。及1 个位移变量 d ，可解得诸变量间的关系。 盯，= 轰 j ，( 1 + e ，) ( 1 一A p ) + 2 | j 2 ，e ， ( 4 ) 2 模型验证 盯，。= 壶 座。( 九。一d ) ( 一1 + A ，) + 蠡。( ：+

20、艿) ( 1 一A ”) ( 5 ) 式中：A ，= j 芦i 盂i ；，A ，= _ 7 丢：矣箕兰笔，盯，、。，分别为膜材料在 ( 2 + 艿) 2 + d ；( 1 + 。) 2 一” 2 1 参数 为了验证模型，选择P v C 涂层的聚酯机织物为 试样，其规格为经纬线纱密度1 1 1 1t e x ，织物经纬密 5 8 根1 0c m 5 8 根1 0c m ，织物面密度2 7 0g ，c m 2 ，织 物厚度0 2 4m m ，涂层后膜材料的面密度8 0 0g c m 2 ， 厚度0 7 8m m 。 以文献 1 1 1 2 的织物结构模型为出发点，假设 万方数据 PDF Water

21、mark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 5 0 纺织学报第2 8 卷 结构单元中经纬纱轴线可用正弦曲线表示，正弦波的 半波长对应于相邻2 交织点间纱线长度在x y 平面 上的投影( 2 d 。或2 d ：) ，波幅对应于经纬纱的屈曲波 高( 。或 ：) 。涂层前后织物的结构参数见表l 。 表1 织物结构参数 T 曲1F a b r i cp a 舢t e r s 根据表l 参数可得，涂层后织物的经向变形 h = 2 6 1 ，纬向变形= 一2 9 0 。已知涂层前 织物的拉伸性能，可

22、根据本文所建立的模型预测膜 材料的拉伸性能。 由织物拉伸曲线，可得织物拉伸行为的诸阶段 和相应的弹性常数，试验样本数为经纬向各8 组，数 据见表2 。 表2 涂层前织物拉伸性能 T a b 2T e n s n ep a r a m e t e r so fw o v 明f a b r i cb e f o r ec o a t i l I g 从表2 可看出，由于涂层后织物经向变形( e 。 = 2 6 1 ) 在应变点1 和2 之间，所以当拉伸应变在 0 2 0 的范围内时，膜材料拉伸行为中只可观测到 1 个应变转折点( e ，。= e 们一e h = 0 4 9 ) 。与之类 似，涂层中

23、织物纬向变形( u = 一2 9 0 ) 将导致应 变转折点A ，、B ，分别延至3 6 2 和5 8 5 。 2 2 数值模拟及讨论 将弹性常数_ j ，= 矗。= 11 0 8 4 0N ，c m ，七j = 而祀= 2 6 2 3 9N c m 和应变转折点，。= 0 4 9 代入模 型方程，可得出膜材料经向拉伸性能，见图3 。当拉 伸应变，0 4 9 时，弹性常数较高，且呈线弹性 变形，测试值与预测值吻合较好；当应变e ， 0 4 9 时，弹性常数逐渐变小，呈现为非线性变形； 当拉伸应变超过1 2 后，测试值与模型预测值之间 存在一定的偏差。 对于纬向而言，在拉伸应力的作用下，将矗，=

24、 后n = 10 8 8 9 7N ，c m ，后j = 晟也= 2 2 7 9 4N c m ，应变转 折点e 。= e 控一u = 5 8 5 代入模型方程中，得出膜 材料纬向的拉伸性能，见图3 。 、，从图3 可以看出，当应变量在3 6 2 范围内，膜 ， 豆 邑 R 翘 图3 膜材料拉伸性能的模拟结果 F i g 3 S i m u l a t i o nr e s u l t so ft e n s i l ep e 而n a n c e o fm e m b m n em a t e r i a l 材料中的织物以屈曲转换变形为主，弹性常数较低， 模拟值与测试值吻合较好。应变量在3

25、 6 2 5 8 5 范围内，织物以拉伸伸长变形为主，弹性常数 逐渐增大，模拟值与测试值基本吻合。应变量在 5 8 5 以后，织物的变形机制为伸长变形，模拟值与 测试值基本符合。而在应变转折点5 8 5 附近时， 模拟值与测试值偏差较大，这主要是因为织物拉伸 行为在该点附近的非线性所致。当应变高于1 6 后，模拟值与测试值的偏差呈扩大趋势。从图3 还 可看出，当经向应变量高于1 2 或纬向应变量高于 1 6 ，模型的预测值将低于测试值。与前述转折点 的偏差原因相同，造成差别的原因也是因织物非线 性拉伸行为和模型线性拟合之间所存在的差距。若 要减少在大变形下的误差，则应该对织物的拉伸行 为进行更

26、为细致的分段，但增加了计算量。对于膜 材料的设计需求而言，一般只考虑小变形的情况，因 此，本文所推荐的模型能够满足工程上的要求，而且 在大变形的条件下，模型至少提供了一种略为保守 的预测。 3结语 通过分析机织物涂层前后结构相及初始拉伸条 件的变化对膜材料拉伸性能的影响，将织物的非线 性拉伸行为用3 段线性近似，建立了膜材料拉伸的 空间桁架模型，并采用P v c P E s 膜材料的拉伸试验 验证模型的可靠性。结果表明：若已知涂层前织物 的拉伸性能以及涂层过程中织物的伸长变形( 这可 通过涂层工艺控制来实现) ，可根据模型预测涂层后 膜材料的拉伸性能。黼 参考文献： 1 易洪雷，丁辛，陈守辉P

27、 E T ，P v C 膜材料拉伸性能的 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第7 期罗国建等：涂层过程中织物拉伸对膜材料拉伸性能的影响 2 3 4 5 6 7 各向异性及破坏准则 J 复合材料学报，2 0 0 5 ，2 2 ( 6 ) ：9 8 一1 0 2 H u f e n b a c hW ，B 6 h mR ，K r 0 L ，e ta 1 T h e o r e t i c a la n d e x p e d m e n t a li n

28、 V e s t i g a t i o no fa n i s o t r o p i cd 砌a g ei nt e x t i l e r e i n f o r c e d c o m p o s i t e s t m c t u r e s J M e c h a n i c so f C o m p o s i t eM a t e r i a l ，2 0 ( ) 4 ，4 0 ( 6 ) ：5 1 9 5 3 2 王春敏机织复合材料弹性模量极值分析方法 J 纺织学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 6 ) ：4 4 4 7 B r i d g e n sBN ，G o s l

29、i n gPD D i r e c ts t r e s s s t r a i n r e p r e s e n t a t i o nf o rc o a t e dw o v e nf a b r i c s J c o m p u t e 瑙a n d S t m c t u r e s 2 0 0 4 。8 2 ：1 9 1 3 一1 9 2 7 L u oSY ，M i t r aA n n i t ee l a s t i cb e h a v i o r0 fn e x i b l ef 曲r i c c o I p o s i t eu n d e rb i a x i a

30、 ll o a d i n g J J o u m a lo fA p p l i e d M e c h a n i c s ，1 9 9 9 ，6 6 ( 9 ) ：6 3 1 6 3 8 T e s t aRB ，S t u b b sN ，S p i i l e r sWR Ab i l i n e a rm o d e lf o r c o a t e ds q u a r e 胁r i c s J J o u m a lo fE n g i n e e r i n gM e c h a n i c s D i v i s i o n 1 9 7 8 。1 0 4 ：1 0 2 7

31、1 9 4 2 S t u b b sS T h o m a sA N o 脚i n e a re l a s f j cc o n s t j f u t em o d df 撕 8 9 1 0 1 1 1 2 c o a t e df a b r i c s J M e c h a n i c so fM a t e r i a l s ，1 9 8 4 ( 3 ) ：1 5 7 一1 6 8 I ( a t oS F o 咖u l a t i o no f c o n s t i t l l t i v ee q l l a t i o 璐f o r 鼬d c m e m b r a n

32、 e sb a s e do nm ec o n c e p to ff 曲r i cl a n i c em o d e l J E n g i n e e d n gS t m c t 吣，1 9 9 9 ，2 l ：6 9 7 7 0 8 K i n gMJ ，J e a r a I l a i s i l a w o n gP ，S 0 c 阻t eS Ac o m i n u u m c o n s t i t u t i v em o c I e l b rt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fw o v e n f 如r i c s

33、J I n t e m 砒i o n a lJ o 啪a l0 fS o l i d sa n dS t m c t u r e s ， 2 0 0 5 ，4 2 ( 1 3 ) ：3 8 6 7 3 8 9 6 z h a J l gYT ，F uYB Am i c r o m e c h a n i c a lm o d e l0 fw o v e n f 曲r i ca n di t s a p p l i c a t i o nt ot h ea l l a l y s i so fb u c l 【l i n gu n d e r u n i a x i a lt e n s i o

34、 n ，P a n1 ：n l em i c r o m e c h a n i c a lm o d e l J I n t e rJE n gS c i ，2 0 0 0 ，3 8 ( 1 7 ) ：1 8 9 5 一1 9 0 6 P i e r c eFT 7 1 1 l eg e o m e t r yo fc l o t l ls t n l c t u r e J J o u m a lo f t h e7 I 、e x t i l eI n s t i t u t e ，1 9 3 7 ，2 8 ( 2 ) ：4 5 9 7 P i e r c eFT G e o m e 埘c a l n c i p l e sa p p l i c a b l et o 山ed e s 研 o ff u n c t i o n a lf a b r i c s J T e x t i l eR e s e a r c hJ o u m a l ，1 9 4 7 ， 1 7 ( 4 ) ：1 2 3 一1 4 7 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark