[发明专利]一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材剪切性能测试方法

说明书

本发明公开了一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材剪切性能测试方法。基于双轴测试方法，整合膜材料偏转角度及经纬向应力比例参数，实现测试柔性膜材处于拉、剪应力共存的耦合应力状态；并可基于膜结构工程中膜面具体工况，设置不同剪切应力水平，实现剪切应力与剪切应变关联性分析；最后，基于材料力学理论的处理分析，得到柔性膜材在拉剪耦合应力下剪切刚度。该测试方法在应力稳定性、拉剪应力同步性、试验可操作性等方面优于现有的剪切试验方法，且可实现真实拉剪耦合应力状态下柔性膜材力学性能的测试，实现剪切应力与剪切应变关联性分析，有效弥补了现有柔性膜材剪切性能测试方法存在的不足。

技术领域

本发明涉及柔性膜材剪切性能测试领域，特别是一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材双向拉伸与剪切性能测试方法。

背景技术

柔性膜材是一种新兴的结构材料，主要有热塑性薄膜、涂层织物薄膜和层压织物薄膜等，具有透光性、轻质、高强度、耐久性、耐热性、绝缘性等优点，广泛应用于现代建筑结构领域和航空、航天等工业领域，如作为建筑膜结构、航空飞艇、超压气球、航天降落伞或软式着陆系统等的主要构成材料。然而，柔性膜材的力学性能较为复杂，尤其是剪切性能，不确定因素较多、尚无广为接受的测定方法。而剪切性能及相关的剪切模量等参数，柔性膜材的剪切模量对于结构变形及褶皱屈曲非常重要，其准确性关乎膜结构的结构精确设计及安全性评估。

膜材剪切力学性能的测量方法，主要有双向剪切试验法(Blum等，偏轴角度为45°)、T形剪切法(Vyso China等)、KES-F剪切试验法(Kawabata等)、图框法(MSAJ测试标准-JAPAN)等。上述测试方法所得剪切参数与实际工况下膜材料剪切参数存在误差，主要原因：一方面，试验膜材所处的应力状态与真实膜材的应力状态差距较大；实际工况下膜材往往处于拉、剪应力共存状态，拉伸应力状态(应力比例及拉伸应力水平)对于膜材剪切力学性能影响显著；另一方面，剪切应力与剪切应变存在关联性，剪切应力水平不同时剪切参数会存在差异。因此，有必要实现拉剪耦合应力状态及不同剪切应力水平下的剪切性能测试，以提高膜材料力学参数准确性和大型膜结构工程设计精度。

发明内容

本发明提供了一种膜材剪切力学性能及力学参数的测试方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种考虑拉剪耦合效应的柔性膜材剪切性能测试方法，步骤如下：

第一步，确定膜材测试拉伸及剪切应力状态范围，依据实际工程中膜材所处应力状况，采用数值或实际测量方法，确定包括经纬向拉伸应力比例N范围、拉伸应力σ范围、剪切应力τ范围、预应力水平；依据上述应力范围适当扩大，确定膜材测试拉伸应力范围[σ₁,σ₂]、剪切应力范围[τ₁,τ₂]及应力比例范围[N₁,N₂]。

第二步，确定测试用膜材试件尺寸，将膜材料裁成标准十字形切缝试件，保证裁剪时每个伸臂端的裁剪方向与纤维方向成固定夹角α，试件沿悬臂中间做切缝处理，交叉角处采用圆弧处理，臂端部缠绕PE棒。

第三步，确定膜材测试模型纱线偏轴参数α，依据第一步应力比范围，由公式(1a)确定角度参数a；基于求取的角度参数a，根据公式(1b)求取偏轴参数α，求取α后可优选15°、30°、45°等整数角度，以利于膜材裁剪制作。

式中，a为角度参数，N＝σ_w/σ_f为膜材料经纬向应力比，N₂为应力比最大值；σ为应力，w、f分别表示经纬向；M＝σ_x/σ_y为试验双轴X、Y向加载应力比，M优选1/5～5/1之间常数。