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芳纶织物载荷传递行为的微拉曼光谱法研究

发布时间:2020-11-20 13:20
   柔性纤维织物具有轻质、强韧的优点,在人体或装备外层防护领域有较大的应用空间和发展潜力。软织物结构的防弹性能优化设计,其本质是研究弹头与织物的交互作用,从力学角度看就是纱线载荷传递和能量吸收的过程。将织物的弹道侵彻实验中纱线的受力变形机制模型化为纱线拉拔过程,用来研究弹头侵彻过程中纱线的屈曲伸长、粘着-滑移、能量吸收机制以及摩擦特性等具有重要意义。由于织物细观结构的复杂性和多层次性,在受到弹道冲击时,织物结构变形会导致经纬纱交织点上出现屈曲交换、粘着和滑移物理现象,纱线内部的纤维也会发生滑移、破坏,最终造成纱线的损伤和断裂。目前,织物结构的微观变形的实验表征是建立纱线载荷传递模型和能量吸收机制最为困难和关键的阶段。本文将以防弹平纹织物(Kevlar49)受冲击过程中出现的纱线应力传递、屈曲伸长、摩擦滑移和能量吸收机制等基础力学问题作为研究内容,发展微尺度实验表征手段和模型化测试方法,来揭示织物的载荷传递机制,有助于进一步探讨防弹织物侵彻失效机理和能量吸收机制。在取得实验结果的基础上,分析了织物在单纱拉拔和周边固支离面顶出测试过程中的应力传递规律,提出了单纱拉拔测试中的应力传递模型,来揭示纱线的屈曲伸长与摩擦剪应力关系;同时建立了织物离面顶出测试中的应力传递模型,来揭示织物的应力传递机制。本文的主要研究成果有:(1)使用数字图像相关标记点法测量了Kevlar 49单纱的拉伸力学性质,实验结果显示:单纱的应力-应变曲线是从线性到非线性演化过渡,这是由于纱线的逐次失效所致;因单纱的初始屈曲程度不同,造成经纬纱的弹性模量略有区别。单纱的平均弹性模量为51GPa,低于单纤维的平均弹性模量98.63GPa,是由于纱线失效机制、初始屈曲、制造缺陷和损伤等因素所致。(2)推导了单纱拉曼频移与多纤维应力之间的理论公式,提出了单纱等效应力的拉曼测量方法。执行了Kevlar49单纱拉伸的拉曼测试,实验结果显示:单纱G'峰位的红移或蓝移(即拉曼频移)的载荷敏感性最高。通过拟合曲线求出了拉曼频移-应力因子,约为1 82.44 MPa/cm-1,给出了一套规范分析拉曼谱线的步骤。(3)搭建了单纱拉拔测试实验装置,在有、无横向预紧力的情况下执行了单纱的拉拔测试,使用拉曼光谱方法测量了纱线上的应力分布,讨论了纱线屈曲伸长段和屈曲段上的摩擦剪应力规律,从而建立了界面摩擦剪应力模型和轴向应力传递模型。从微拉曼光谱实验数据反演了纱线拉拔模型的界面参数,实验证实所提出的单纱拉拔模型符合纱线应力分布,有效解释了单纱拉拔过程中的载荷传递机制,拉拔载荷是从纱线拉出端沿着纱线向内部传递,粘着和摩擦现象贯穿着纱线拉拔测试的整个过程,在纱线屈曲段存在静摩擦作用,在纱线屈曲伸长段认为是滑动摩擦作用,在屈曲伸长/屈曲的过渡点上,剪应力达到最大静摩擦剪应力。(4)搭建了织物离面顶出测试实验装置,执行了织物周边固支、中心离面位移加载测试,使用拉曼光谱方法测量了全场应力分布,实验结果显示:存在高应力十字交叉分布的主纱区和低应力分布的辅纱区,主纱是载荷传递的主要路径,将载荷渐次传递给临近的辅纱,辅纱是载荷传递次要路径。建立了末端固支的纱线拉拔模型来表征织物离面顶出测试的应力传递,界面粘着作用导致了界面剪应力和纱线轴向应力两者之间的载荷传递。实验证实所提出的模型符合纱线应力分布,有效解释了织物离面顶出测试中的载荷传递机制。本论文所研究的织物模型化实验方法及其载荷传递模型,有助于理解柔性织物受冲击失效机理和能量吸收机制,也为防弹织物结构优化提供实验与理论支撑。本论文研究工作得到了国家自然科学基金“防弹织物缝合结构的界面载荷传递与能量吸收行为实验研究(11472070,2015-2018)”的资助。
【学位单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位年份】:2019
【中图分类】:O657.37;TS107
【部分图文】:

纬编针织,编织方式,平纹,织物


覆盖率是指经纬纱的覆盖率(扣除经纬纱交织点的重复量)占织物投影面积的百分数。??机织物(Woven?fabrics):通常由两种相互独立的经纱和纬纱按照相互垂直的交织??规律在织布机上正交交织而成的稳定结构。如图1.1?(a)所示,外观是平面型板状,经??炜两向结构重复,又称为梭织物。??IM?ip?I—?I?I?J?I?I?1??图1.1不同编织方式的织物,(a)平纹机织和(b)纬编针织??Fig.?1.1?Different?fabrics?by?(a)?plain?weaving?and?(b)?fill?knitting?methods??-1?-??

单向拉伸,测试方法,织物,机织物


可将织物单向拉伸分为纵向和横向拉伸,即测试织物试条的经向拉伸、炜向??拉伸、或与经纬向呈某一角度的拉伸测试。??图1.2是织物单向拉伸测试的示意图,根据织物试样形状的不同主要分为三种:拆??边条样主要用于一般机织物;剪切条样主要适用于针织物、非织造物和不易拆边的机织??物;抓样条样主要适用于不易抽边纱和高密度的机织物。Gabrijeldie等人[39]研宄了纬纱??的断裂强度和断裂伸长率对织物拉伸性能的影响,研宄结果表明在使用双线讳纱可以提??-7-??

双向拉伸


织物受到的作用形式是复杂多样的,通常由各个方向的多种力共同作用。而且由于??织物内部结构不同,被看作是各向异性材料,其面内双向力学性能更加复杂。在分析织??物的力学响应时,织物的剪切变形行为通常认为是一个不可忽视的因素,可采用图1.3??中的十字形双轴向拉伸测试装置来评价织物的抗剪切性能。??tmn|??3.?.■'.:'?二??y?.?>??mini??图1.3织物的双向拉伸测试l55!??Fig.?1.3?Biaxial?tensile?test?of?fabric??双向拉伸测试装置最早是由HassW自制完成的,来探讨了平面织物和圆柱形织物的??双向力学性能。后来Kawabata等⑷]设计了新的双向拉伸仪器来研宄平纹机织物的双向??变形理论。QuaglinitM等人对涤纶平纹机织物进行了双向加载下的实验表征,并首次在??织物中心区安装了应变追踪器来记录应变分布情况,来得到织物的双向力学性能。东华??大学洪维亚等[43]研宄了不同纬编针织物的双向拉伸性能,但是从双向拉伸试样破损得的??-8?-??
【参考文献】

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本文编号:2891476

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